Varför finns det gränser för vad man kan fysik förutsäga?

Om du delar materia i Universum i mindre och mindre delar, kommer du så småningom att nå gränsen, inför en grundläggande och odelbara partiklar. Alla makroskopiska objekt kan delas upp i molekyler, även atomer, då elektroner (som är grundläggande) och kärnor, då protoner och neutroner, och slutligen inuti dem är kvarkar och gluoner. Elektroner, kvarkar och gluoner är exempel på grundläggande partiklar som inte kan separeras ännu mer. Men hur är det möjligt att ha tid och utrymme fanns samma begränsningar? Varför är det Planck-värden, som inte kan delas upp ytterligare?

För att förstå ursprunget av Planck storlek, är det värt att börja med de två pelarna som styr verkligheten: den Allmänna relativitetsteorin och kvantfysiken.

Den Allmänna relativitetsteorin handlar materia och energi som finns i Universum, med krökning och deformation av tyg av rymd-tiden. Kvantfysik beskriver hur partiklar och fält interagerar med varandra inom tyg av tid och rum, bland annat i en mycket liten skala. Det finns två fundamentala fysikaliska konstanter som spelar en roll i den Allmänna relativitetsteorin: G är den gravitationella konstant i Universum, och c är ljusets hastighet. G inträffar, eftersom det ger ett mått på den deformation av tid och rum i närvaro av materia och energi, c — detta är på grund av den gravitationella växelverkan är fördelade i tid och rum i ljusets hastighet.

I kvantmekanik för, det finns två grundläggande konstanter: c och h, där den sistnämnda är Plancks konstant. c är en begränsning av hastigheten för alla partiklar, i vilken takt att flytta allt massless partiklar, och den högsta andelen som kan sprida någon interaktion. Plancks konstant var otroligt viktigt för beskrivning av hur kvantiserad (beräknat) quantum energi, växelverkan mellan partiklar och alla möjliga utfall av händelsen. En elektron roterar runt en proton kan ha valfritt antal energi nivåer, men de verkar alla i diskreta steg, och storleken av dessa steg bestäms av h.

Kombinera dessa tre konstanter: G, c och h, och kommer att kunna använda olika kombinationer för omfattningen av längd, massa och tid. De är kända respektive som Planck längd, Planck massa och Planck tid. (Det är möjligt att konstruera andra kvantiteter, till exempel, Planck energi, Planck temperatur, och så vidare). Allt detta, i Allmänhet, omfattningen av längd, massa och tid, som i avsaknad av annan information, — kommer att vara betydande kvantmekaniska effekter. Det finns goda skäl att tro att så är fallet, och ganska lätt att förstå varför.

Tänk dig att du har en partikel med en viss massa. Du ställer frågan: "Om min partikel hade en massa i så liten volym att det måste krympa till att bli ett svart hål?". Du kan fortfarande fråga: "Om jag var ett svart hål av en viss storlek, hur mycket tid en partikel rör sig med ljusets hastighet skulle täcka avstånd som är lika i den här storleken?". Massa Planck längd Planck tid Planck exakt motsvarar dessa värden: svart hål Planck massa Planck längd och skär i ljusets hastighet i Planck tid.

Men Planck massa är mycket, mycket mer omfattande än någon partiklar som vi någonsin har skapat, det är i 10¹⁹ gånger tyngre än en proton! En Planck längd, på samma sätt som i 10¹⁴ gånger mindre än alla avstånd som vi någonsin testat, och Planck tid, 10²⁵ gånger mindre än någon direkt mätt. Dessa skalor har aldrig varit direkt tillgängliga för oss, men de är viktigt av en annan anledning: - Planck-energi (som du kan få genom att placera Planck massa i E = mc²) är den skala som quantum gravitationella effekter börjar få vikt och betydelse.

Detta innebär att om energi av sådan omfattning eller temporala skalor kortare än Planck tid eller längd skalor mindre än Planck längd — vår nuvarande fysikens lagar måste vara kränkt. Spelar in effekter av quantum gravity, och förutsägelser om den Allmänna relativitetsteorin upphöra att vara tillförlitlig. Krökningen av utrymmet blir mycket stor, och därför "bakgrund" som vi använder för att beräkna quantum enheter, upphör också att vara pålitlig. Osäkerheten i energi och tid innebär att den osäkerhet som finns högre värderingar som vi vet hur vi ska beräkna. Kort sagt, bekant för oss i fysik fungerar inte längre.

För att vårt Universum är inte ett problem. Dessa energi-skalor i 10¹⁵ gånger högre än de som kan nå Large hadron Collider, och 100 000 000 gånger mer än det mest energiska partikel som skapar universum självt (kosmisk strålning med hög energi), och även 10 000 gånger högre än vad som uppnås genom universum omedelbart efter Big Bang. Men om vi ville undersöka dessa gränser, det är en plats där de kan vara viktiga: de singulariteter är beläget i centrum av svarta hål.

På dessa platser massan, som vida överstiger Planck vikt, minska i storlek, teoretiskt mindre av Planck längd. Om det i Universum finns det en plats där vi ger alla rader i en och ingår i den Planck-regimen, det är det. Vi kan inte komma åt det i dag, eftersom det är täckt av event horizon i ett svart hål och otillgängliga. Men om vi är tålmodiga nog och behöver mycket tålamod — universum kommer att ge oss den möjligheten.

Du Ser, svarthål över tid, långsamt förintas. Integration av kvantfältteori i krökt rum-tid i den Allmänna relativitetsteorin innebär att en liten mängd strålning som sänds ut i rymden utanför event horizon, och energi för denna strålning kommer från massan av det svarta hålet. Över tid, massan av det svarta hålet minskar, event horizon krymper, och 10⁶⁷ år svart hål solmassor har avdunstat helt. Om vi kunde få tillgång till hela strålning lämnar ett svart hål, inklusive de sista ögonblicken av sin existens, att vi definitivt skulle kunna samla ihop alla kvantmekaniska effekter, som inte förutsägs av våra bästa teorier.

Det är inte nödvändigt att utrymmet kan delas upp i ännu mindre enheter än Planck längd, och som inte delas i enheter som är mindre än Planck tid. Vi vet bara att vår beskrivning av Universum, inklusive vår fysikens lagar kan inte gå bortom dessa nivåer. Om utrymmet är kvantiserad? Om tiden flyter kontinuerligt, egentligen? Och vad ska vi göra med det faktum att alla kända grundläggande partiklar i Världsalltet har massa mycket mindre än Planck? Till dessa frågor i fysik inte har några svar. Planck skala är inte så grundläggande i arbetet för att begränsa Universum att vår förståelse av Universum. Så vi fortsätter att experimentera. Kanske när vi har mer kunskap vi kommer att få svar på alla frågor. Ännu.