През последните 100 години физиците изграждат точни и мощни теории за Вселената - от най-малките до най-големите. Съществуват обаче мащаби, по които всички тези теории не работят и които пазят най-големите тайни за законите на природата.
Свикнали сме да живеем в свят на големи, макроскопични неща. Всичко, с което обикновеният човек се сблъсква през деня - от чаша кафе сутрин до огромна огнена топка в небето, наречена Слънце - са неща, които можем или да видим, или да докоснем. Въпреки това, дори в древна Гърция философите, по-специално Демокрит и неговият учител Левцип, предполагаха, че всичко се състои от най-малките неделими частици - атоми (буквално в превод от гръцки означава „неделим“).
С течение на времето атомът беше открит, а след това свойството му, че той изобщо не е неделим, а се състои от ядро и електрон, въртящ се около него. Тогава се оказа, че ядрото също се състои от протони и неутрони. Още по-късно са открити кварки, от които са съставени протоните и неутроните на атомните ядра. Тези малки частици се наричат елементарни. Освен кваркове, сред елементарните частици вече се споменават електрони, бозони, неутрино и фотони. Всички те се считат за същите древногръцки „атоми“- неделими.
През 1899 г. (в някои източници - през 1900 г.) немският физик и основоположник на квантовата теория Макс Планк предлага специална мярка за измерване - единици на Планк. Това са единици, предназначени да опростят някои алгебрични изрази, открити в теоретичната физика, по-специално в квантовата механика. Те включват такива основни единици като маса на Планк, температура на Планк, дължина на Планк и време на Планк. В тази статия ще разгледаме дължината на Планк и времето на Планк и ще се опитаме да го направим по най-разбираемия начин, без сложни математически изчисления (въпреки че ще ни трябват някои формули).
Както вече знаете, физиката се занимава не само с изучаването на огромни космически структури като галактики и мъглявини, но и невероятно малки явления на атомни и субатомни скали. Съществува обаче друга реалност в мащаб, който е много по-малък от това, което науката е успяла да изучи. На това ниво има стойност, която е толкова далеч отвъд традиционното разбиране за „малкото“, че е трудно да си го представим. Това е дължината на Планк - тя е 10 (до мощността на 20) пъти по-малка от диаметъра на ядрото на водороден атом. Предполага се (или по-точно се подозира), че именно на това ниво се образува „пяната“на пространството-времето. За да разберете за каква стойност говорим, можете да погледнете в анимацията „Мащаб на Вселената“на този линк.
И все пак за какви измерения говорим? Дължината на Планк е само 1,616 х 10 (до -35 мощност) метра. Тя може да бъде изчислена с помощта на уравнение, което включва три цели фундаментални константи - константата на Планк (6.6261 х 10 (до мощността на -34)), скоростта на светлината във вакуум (2.29979 х 10 (до мощността на 8) m / s) и гравитационната константа (6.6738 x 10 (към мощността-11)):
Макс Планк за пръв път стигна до тази забележителна единица, след като работеше върху радиацията на черното тяло и квантовата механика. Вероятно сте чували, че това е възможно най-кратката дължина.
Промоционално видео:
И тук, както в случая с древногръцката концепция за атома, можете да кажете: „Разбира се, ако имам определена дължина и го разделя на половина, а след това го повтарям отново и отново, ще получавам все по-малки и по-малки стойности“. Говорим обаче за мащаб, при който физиката вече не е в състояние да прави същото като математиката. Един от най-ярките примери за такива невъзможности е движението със свръхлюминална скорост. Тоест, на хартия, можете да приложите сила към масата и да я ускорите до скоростта на светлината и по-висока, но ние знаем, че в природата това е просто физически невъзможно, тъй като масата на даден предмет (и следователно енергията, необходима за ускоряването му) се увеличава безкрайно. Оказва се, че не сме в състояние да приложим в действителност всичко, което можем да направим на хартия.
Теорията на струните предсказва съществуването на струните, които съставят всички елементарни частици, точно на дължината на Планк / Преглед на Вселената.
И така, как толкова малко количество се вписва във физиката? Ако две частици са разделени с дължина на Планк или дори по-малко разстояние, тогава е невъзможно да се определят позициите на всяка от тях. Освен това всякакви ефекти на квантовата гравитация върху тази скала (ако има такива) са неизвестни за науката, тъй като там самото пространство не е дефинирано правилно. В известен смисъл можем да кажем, че дори и да разработим методи за измерване, способни да „гледат“в тези скали, никога не бихме могли да измерим нищо по-малко, независимо от по-нататъшното подобряване на нашите методи и оборудване.
Според стандартния космологичен модел Вселената се е родила в резултат на Големия взрив, който започна в безкрайно плътна точка. Особено интересно е, че физиците и космолозите нямат и най-малката представа кои закони на физиката преобладават във Вселената, преди тя да надвиши дължината на Планк по размер, тъй като все още няма потвърдена теория за квантовата гравитация. Независимо от това, това устройство се оказа полезно в много различни уравнения, които са помогнали за изчисляване и изследване на някои от най-важните мистерии на Вселената.
Например, дължината на Планк е ключов компонент в уравнението на Бекенщайн-Хокинг за изчисляване на ентропията на черна дупка. Теоретиците на струните смятат, че именно в този мащаб има "вибриращи" струни, които съставляват елементарните частици на Стандартния модел. Независимо дали теорията на струните е вярна или не, едно е сигурно: в стремежа към единна теория за всичко, разбирането на дължината на Планк и свързаната с него физика ще играе ключова роля.
Първите моменти от съществуването на Вселената в космологията се наричат ерата на Планк / Университета на Илинойс.
Какво ще кажете за времето на Планк? С две думи времето на Планк е времето, необходимо за светлина във вакуум, за да измине дължината на Планк. Следователно тези две количества са свързани. Любопитно е, че за да се изчисли времето на Планк, са нужни константата на Планк, гравитационната константа и скоростта на светлината във вакуум. Точната стойност на времето на Планк е 5,391 х 10 (до мощността на -44) секунди и се изчислява по формулата:
Времето на Планк се нарича също квантът на времето - най-малката стойност на времето, която има някаква действителна стойност. По-малките времена са безсмислени. Връщайки се към теоретичните хипотези, теоретиците на струните приемат, че струните с размер на Планк вибрират с честота, съответстваща на времето на Планк. През 2003 г., когато анализираха изображенията на дълбокото поле от телескопа Хъбъл, някои учени предположиха, че ако колебанията в пространството и времето присъстват по скалата на Планк, тогава изображенията на много отдалечени обекти ще бъдат размити. Те твърдят, че изображенията на Хъбъл били твърде точни, което според специалистите поставяло под въпрос концепцията за мащаба на Планк. Други членове на научната общност не са съгласни с това предположение, отбелязвайки,че подобни колебания ще бъдат твърде малки, за да се наблюдават. Освен това се предполага, че очакваното замъгляване е премахнато от големия размер на обектите в изображенията.
Hubble Ultra-Deep Field / NASA / ESA / R Томпсън.
И така, дължината на Планк и свързаното с него време на Планк определят мащаба, при който съвременните физически теории спират да работят. Цялата геометрия на пространството и времето, предвидена от Общата теория на относителността, престава да има някакво значение. Тези везни съхраняват все още неразкритата теория, която обединява Общата относителност и квантовата механика, която може най-пълно да опише законите на физиката. Всъщност именно поради тази причина съвременните описания на развитието на Вселената започват само 5,391 х 10 (до мощността на -44) секунди след Големия взрив, когато Вселената е била 1616 х 10 (до мощността на -35) метра.
Владимир Гилен