Чому існують межі того, що можуть прогнозувати фізики

Якщо ділити речовина у Всесвіті на все менші і менші складові, ви в кінцевому підсумку досягнете обмеження, зіткнувшись з фундаментальної і неподільною часткою. Всі макроскопічні об'єкти можна поділити на молекули, навіть атоми, потім електрони (які фундаментальні) і ядра, потім на протони і нейтрони, і, нарешті, всередині них будуть кварки і глюони. Електрони, кварки і глюони - приклади фундаментальних частинок, які не можна розділити ще більше. Але як таке можливо, щоб у самого часу і простору були такі ж обмеження? Чому взагалі існують значення Планка, які вже не можна ділити далі?

Щоб зрозуміти, звідки береться Планка величина, варто почати з двох стовпів, які керують реальністю: загальна теорія відносності і квантова фізика.

Загальна теорія відносності пов'язує матерію і енергію, що існують у Всесвіті, з кривизною і деформацією тканини простору-часу. Квантова фізика описує, як різні частки і поля взаємодіють між собою всередині тканини простору-часу, в тому числі і в дуже малих масштабах. Існує дві фундаментальні фізичні константи, які грають роль в загальній теорії відносності: G - гравітаційна стала Всесвіту, і c - швидкість світла. G виникає, оскільки задає показник деформації простору-часу в присутності речовини і енергії; c - тому що це гравітаційна взаємодія поширюється в просторі-часі на швидкості світла.

У квантовій механіці теж з'являється дві фундаментальні константи: c і h, де остання - це постійна Планка. c - це обмеження швидкості всіх частинок, швидкість, з якою повинні рухатися всі безмасові частки, і максимальна швидкість, з якою може поширюватися будь-яка взаємодія. Постійна Планка була неймовірною важливою для опису того, як квантуються (вважаються) квантові енергетичні рівні, взаємодії між частинками і всі можливі наслідки подій. Електрон, що обертається навколо протона, може мати будь-яку кількість енергетичних рівнів, але всі вони з'являються дискретними кроками, і розмір цих кроків визначається h.

Зіставте три цих постійних: G, c і h, і зможете використовувати різні їх поєднання для побудови шкали довжини, маси і періоду часу. Вони відомі, відповідно, як довжина Планка, маса Планка і час Планка. (Можна побудувати і інші величини, наприклад, енергію Планка, температуру Планка і так далі). Все це, в загальному і цілому, шкала довжини, маси і часу, при яких - за відсутності будь-якої іншої інформації - будуть значними квантові ефекти. Є хороші причини вважати, що це так і є, і досить легко зрозуміти - чому так.

Уявіть, що у вас є частка певної маси. Ви задаєте питання: «Якби моя частка мала таку масу, в наскільки малий обсяг її потрібно стиснути, щоб вона стала чорною дірою?». Ви ще можете запитати: «Якби у мене була чорна діра певного розміру, за який час частка, що рухається на швидкості світла, подолала б відстань, рівну цього розміру?». Маса Планка, довжина Планка і час Планка відповідають саме таким величинам: чорна діра планковской маси буде планковской довжини і перетинатися зі швидкість світла за час планка.

Але Планка маса набагато, набагато більш масивна, ніж будь-які частинки, які ми коли-небудь створювали; вона в 10 19 разів важче протона! Довжина Планка, точно так же, в 10 14 разів менше будь-якої відстані, яке ми коли-небудь зондували, а час планка в 10 25 разів менше будь-якого прямо виміряного. Ці масштаби ніколи не були безпосередньо доступні для нас, але вони важливі з іншої причини: Планка енергія (яку ви можете отримати, помістивши Планка масу в E = mc 2) - це масштаб, при якому квантово-гравітаційні ефекти починають набувати важливість і значимість.

Це означає, що при енергії такої величини - або тимчасових масштабах коротше часу Планка, або шкали довжини менше довжини Планка - наші нинішні закони фізики повинні порушуватися. У гру вступають ефекти квантової гравітації, і передбачення загальної теорії відносності перестають бути надійними. Кривизна простору стає дуже великою, а значить і «фон», який ми використовуємо для розрахунку квантових величин, теж перестає бути надійним. Невизначеність енергії і часу означає, що невизначеності стають вище значень, які ми знаємо як розрахувати. Коротше кажучи, звична нам фізика більше не працює.

Для нашого Всесвіту це не проблема. Ці енергетичні масштаби в 10 15 разів вище, ніж ті, яких може досягти Великий адронний коллайдер, і в 100 000 000 разів більше найенергетичніших частинок, які створює сама Всесвіт (космічні промені високої енергії), і навіть в 10 000 разів вище показників, яких досягла Всесвіт відразу після Великого Вибуху. Але якби ми хотіли дослідити ці межі, є одне місце, де вони можуть бути важливі: в сингулярності, розташованих в центрах чорних дір.

У цих місцях маси, що значно перевершують Планка масу, стискаються в розмір, теоретично менший довжини Планка. Якщо у Всесвіті є місце, де ми зводимо все лінії в одну і входимо в режим Планка, то це воно. Ми не можемо отримати до нього доступ сьогодні, тому що воно закрите горизонтом подій чорної діри і недоступно. Але якщо ми будемо досить терплячі - а терпіння буде потрібно багато - Всесвіт дасть нам таку можливість.

Річ у тім, чорні діри з часом повільно розпадаються. Інтеграція квантової теорії поля у викривленому просторі-часі ОТО означає, що невелика кількість випромінювання випускається в просторі поза горизонту подій, а енергія для цього випромінювання виходить з маси чорної діри. Згодом маса чорної діри зменшується, горизонт подій стискається, і через 10 67 років чорна діра сонячної маси повністю випарується. Якби ми могли отримати доступ до всього випромінювання, яка покинула чорну діру, включаючи найостанніші моменти її існування, ми, безсумнівно, змогли б зібрати воєдино всі квантові ефекти, яких не передбачали наші кращі теорії.

Зовсім не обов'язково, що простір не можна розділити на ще більш дрібні одиниці, ніж Планка довжина, і що час не можна розділити на одиниці менші, ніж час планка. Просто ми знаємо, що наш опис Всесвіту, в тому числі наші закони фізики, не можуть вийти за межі цих масштабів. Квантуемого чи простір? Тече час безперервно насправді? І що нам робити з тим фактом, що всі відомі фундаментальні частинки у Всесвіті мають маси набагато, набагато менше планковской? На ці питання у фізиці немає відповідей. Планковские масштаби не настільки фундаментальні в обмеженні Всесвіту, як в нашому розумінні Всесвіту. Тому ми продовжуємо експериментувати. Можливо, коли у нас буде більше знань, ми отримаємо відповіді на всі питання. Поки немає.