Pēdējo 100 gadu laikā fiziķi ir izveidojuši precīzas un spēcīgas teorijas par Visumu, sākot no mazākā līdz lielākajam. Tomēr ir skalas, kurās visas šīs teorijas nedarbojas un kurām ir lielākie dabas likumu noslēpumi.
Mēs esam pieraduši dzīvot lielu, makroskopisku lietu pasaulē. Viss, ar ko vidusmēra cilvēks sastopas dienas laikā, sākot ar kafijas tasi no rīta un beidzot ar milzīgu ugunsbumbu debesīs, ko sauc par Sauli, ir lietas, kuras mēs varam redzēt vai pieskarties. Tomēr pat senajā Grieķijā filozofi, it īpaši Demokrituss un viņa skolotājs Leikipps, ieteica, ka viss sastāv no mazākajām nedalāmām daļiņām - atomiem (burtiski tulkojumā no grieķu valodas nozīmē “nedalāms”).
Laika gaitā atoms tika atklāts, un pēc tam tā īpašība, ka tas nemaz nav dalāms, bet sastāv no kodola un ap to rotējoša elektrona. Tad izrādījās, ka kodols sastāv arī no protoniem un neitroniem. Vēl vēlāk tika atklāti kvarki, no kuriem sastāv atomu kodolu protoni un neitroni. Šīs sīkās daļiņas sauc par elementārām. Papildus kvarkiem starp elementārajām daļiņām jau ir minēti elektroni, bozoni, neitrīni un fotoni. Visi no tiem tiek uzskatīti par tiem pašiem sengrieķu "atomiem" - nedalāmiem.
1899. gadā (dažos avotos - 1900. gadā) vācu fiziķis un kvantu teorijas nepilna laika pamatlicējs Makss Planks ierosināja īpašu mērīšanas mēri - Planka vienības. Tās ir vienības, kas paredzētas, lai vienkāršotu noteiktas algebriskās izteiksmes teorētiskajā fizikā, jo īpaši kvantu mehānikā. Tajos ietilpst tādas pamatvienības kā Planck masa, Planck temperatūra, Planck garums un Planck laiks. Šajā rakstā mēs apsvērsim Planck garumu un Planck laiku un mēģināsim to izdarīt saprotamākajā veidā, bez sarežģītiem matemātiskiem aprēķiniem (lai gan mums būs vajadzīgas dažas formulas).
Kā jūs jau zināt, fizika ir saistīta ne tikai ar tādu milzīgu kosmisko struktūru izpēti kā galaktikas un miglāji, bet arī ar neticami nelielām parādībām atomu un subatomiskos mērogos. Tomēr ir arī cita realitāte mērogā, kas ir daudz mazāka par to, ko zinātne ir spējusi izpētīt. Šajā līmenī ir vērtība, kas tik tālu pārsniedz tradicionālo izpratni par “mazajiem”, ka to ir grūti iedomāties. Tas ir Planka garums - tas ir 10 (līdz 20 spējām) reizes mazāks par ūdeņraža atoma kodola diametru. Tiek pieņemts (vai, precīzāk sakot, ir aizdomas), ka tieši šajā līmenī veidojas telpas-laika "putas". Lai saprastu, par kādu vērtību mēs runājam, šajā saitē varat izpētīt animāciju "Visuma mērogs".
Un tomēr par kādām dimensijām mēs runājam? Planck garums ir tikai 1,616 x 10 (līdz -35 jaudai) metru. To var aprēķināt, izmantojot vienādojumu, kas ietver trīs veselas pamatkonstantes - Planka konstante (6,6261 x 10 (līdz -34 jaudai)), gaismas ātrumu vakuumā (2,29979 x 10 (līdz 8 m). un gravitācijas konstante (6,66738 x 10 (līdz jaudai-11)):
Makss Planks pirmo reizi ieradās šajā ievērojamajā vienībā pēc darba ar melnā ķermeņa starojumu un kvantu mehāniku. Jūs droši vien esat dzirdējuši, ka tas ir īsākais iespējamais garums.
Reklāmas video:
Šeit, tāpat kā senās grieķu atoma koncepcijas gadījumā, jūs varat teikt: "Protams, ja man ir noteikts garums un es to sadalīšu uz pusēm, un pēc tam to atkārtoju atkal un atkal, es iegūšu mazākas un mazākas vērtības." Tomēr mēs runājam par mērogu, kurā fizika vairs nespēj rīkoties tāpat kā matemātika. Viens no spilgtākajiem šādu neiespējamību piemēriem ir pārvietošanās ar superluminal ātrumu. Tas ir, uz papīra jūs varat pielietot spēku masai un paātrināt to ar gaismas ātrumu un lielāku, taču mēs zinām, ka dabā tas ir vienkārši fiziski neiespējami, jo objekta masa (un līdz ar to enerģija, kas nepieciešama tās paātrināšanai) palielinās bezgalīgi. Izrādās, ka mēs nespējam realitātē ieviest visu, ko varam uz papīra.
Stīgu teorija prognozē virkņu esamību, kas veido visas elementārās daļiņas, precīzi Planka garuma / Visuma pārskatā.
Tātad, kā tik mazs daudzums iederas fizikā? Ja divas daļiņas atdala Planka garums vai pat mazāks attālums, tad nav iespējams noteikt katras no tām pozīcijas. Turklāt jebkura kvantu gravitācijas ietekme uz šo mērogu (ja tāda ir) nav zināma zinātnei, jo pati telpa nav pareizi definēta. Savā ziņā mēs varam teikt, ka pat tad, ja mēs izstrādātu mērīšanas metodes, kuras varētu "ieskatīties" šajos mērogos, mēs nekad nevarētu izmērīt neko mazāk, neatkarīgi no mūsu metožu un aprīkojuma turpmākiem uzlabojumiem.
Saskaņā ar standarta kosmoloģisko modeli Visums ir dzimis Lielā sprādziena rezultātā, kas sākās bezgalīgi blīvā vietā. Īpaši interesanti ir tas, ka fiziķiem un kosmologiem nav ne mazākās nojausmas, kādi fizikas likumi valdīja Visumā, pirms tas pārsniedza Planka garumu, jo joprojām nav apstiprinātas kvantu gravitācijas teorijas. Neskatoties uz to, šī vienība ir izrādījusies noderīga daudzos dažādos vienādojumos, kas ir palīdzējuši aprēķināt un izpētīt dažus no vissvarīgākajiem Visuma noslēpumiem.
Piemēram, Planka garums ir galvenā sastāvdaļa Bekenšteina-Hokinga vienādojumā, lai aprēķinātu melnā cauruma entropiju. Stīgu teorētiķi uzskata, ka tieši šādā mērogā pastāv “vibrējošas” virknes, kas veido standarta modeļa elementārdaļiņas. Neatkarīgi no tā, vai stīgu teorija ir vai nav patiesa, viena ir pārliecināta: meklējot vienotu visa teoriju, galvenā loma būs izpratnei par Planka garumu un ar to saistīto fiziku.
Visus pirmos Visuma pastāvēšanas mirkļus kosmoloģijā sauc par Planka laikmetu / Ilinoisas Universitāti.
Kā ir ar Planka laiku? Īsumā, Planka laiks ir laiks, kas vajadzīgs, lai gaisma vakuumā varētu nobraukt Planka garumu. Līdz ar to šie divi daudzumi ir saistīti. Interesanti, ka, lai aprēķinātu Planck laiku, ir nepieciešami Planck konstante, gravitācijas konstante un gaismas ātrums vakuumā. Planka laika precīzā vērtība ir 5 391 x 10 (līdz -44) sekundēm, un to aprēķina pēc formulas:
Planka laiku sauc arī par laika kvantu - mazāko laika vērtību, kurai ir jebkura faktiskā vērtība. Mazāki laiki ir bezjēdzīgi. Atgriežoties pie teorētiskajām hipotēzēm, stīgu teorētiķi pieņem, ka Planka lieluma stīgas vibrē frekvencē, kas atbilst Planka laikam. 2003. gadā, analizējot Dziļā lauka attēlus no Habla teleskopa, daži zinātnieki ieteica, ka, ja Planka skalā būtu redzamas telpas un laika svārstības, ļoti tālu objektu attēli būtu izplūduši. Pēc viņu domām, Habla attēli bija pārāk precīzi, kas, pēc ekspertu domām, apšaubīja Planka mēroga jēdzienu. Citi zinātniskās sabiedrības locekļi nepiekrita šim pieņēmumam, atzīmējot:ka šādas svārstības būtu pārāk mazas, lai tās varētu novērot. Turklāt tika ierosināts, ka paredzamo izplūšanu noņem ar liela izmēra objektiem attēlos.
Habla īpaši dziļais lauks / NASA / ESA / R TOMPSONS.
Tātad, Planck garums un ar to saistītais Planck laiks nosaka mērogu, kurā mūsdienu fizikālās teorijas pārstāj darboties. Visai telpas un laika ģeometrijai, ko prognozē vispārējā relativitātes teorija, vairs nav nozīmes. Šajos svaros glabājas vēl neatklāta teorija, kas apvieno vispārējo relativitāti un kvantu mehāniku, kas vispilnīgāk var aprakstīt fizikas likumus. Faktiski tieši šī iemesla dēļ mūsdienu Visuma attīstības apraksti sākas tikai 5 391 x 10 (līdz -44 spējām) sekundes pēc Lielā sprādziena, kad Visums bija 1,616 x 10 (uz jaudu -35) metru.
Vladimirs Guilēns