Уражанне мастака пра чорную дзірку. Тое, што адбываецца за межамі чорнай дзіркі, добра зразумела, але ўнутры мы сутыкаемся з межамі фундаментальнай фізікі ... і, магчыма, законы, якія рэгулююць саму Сусвет. Малюнак: XMM-Newton, ESA, NASA.

Спытай Этан: Чаму існуе мяжа таго, што можа прадказаць фізіка?

Там самы маленькі маштаб і самы кароткі час, калі фізіка мае сэнс. Што ўстанаўлівае гэтую мяжу?

"Існуе абмежаванне на колькасць інфармацыі, якую вы можаце працягваць разліваць у бутэлькі". -Дзік Рыгор

Калі вы падзеліце матэрыю ў Сусвеце на больш дробныя і меншыя складнікі, вы, у рэшце рэшт, дасягнеце мяжы, калі націснеце на фундаментальную, непадзельную часціцу. Усе макраскапічныя аб'екты можна падзяліць на малекулы, потым атамы, потым электроны (якія з'яўляюцца асноўнымі) і ядрамі, потым пратоны і нейтроны і, нарэшце, унутры іх ёсць кваркі і глюоны. Электроны, кваркі і глюёны - прыклады фундаментальных часціц, якія нельга падзяліць на меншыя. Але як магчыма, што прастора і час самі маюць тыя самыя межы? Дэрэк Кютэр хоча ведаць:

Чаму існуюць такія адзінкі (адзінкі Планка), якія нельга далей падзяліць?

Каб зразумець, адкуль бярэцца адзінка Планка, трэба падумаць пра два законы, якія рэгулююць рэчаіснасць: агульную адноснасць і квантавую фізіку.

Тканіна прасторы часу, ілюстраванае, з рабізнамі і дэфармацыямі з-за масы. Гравітацыйная сталасць, G і хуткасць святла, с, з'яўляюцца асноўнымі для агульнай адноснасці.

Агульная адноснасць адносіць матэрыю і энергію, якія прысутнічаюць у Сусвеце, з крывізнай і дэфармацыяй тканіны прасторы і часу. Квантавая фізіка апісвае, як розныя часціцы і палі ўзаемадзейнічаюць паміж сабой у тканіны прасторы і часу, у тым ліку на вельмі малых маштабах. У Агульнай адноснасці ёсць дзве фундаментальныя фізічныя канстанты: G, гравітацыйная канстанта Сусвету і c, хуткасць святла. G з'яўляецца, таму што вызначае колькасць, якое дэфармуецца ў прасторы-часе дзякуючы матэрыі і энергіі; c з'яўляецца, таму што гравітацыйнае ўзаемадзеянне распаўсюджваецца праз прастору часу са хуткасцю святла.

Усе бязмасштабныя часціцы рухаюцца са хуткасцю святла, уключаючы фатон, глюон і гравітацыйныя хвалі, якія ажыццяўляюць электрамагнітнае, моцнае ядзернае і гравітацыйнае ўзаемадзеянне адпаведна. Крэдыт малюнка: NASA / Універсітэт Сонома / Aurore Simonon.

У квантавай механіцы таксама з'яўляюцца дзве асноўныя канстанты: c і h, дзе апошняя сталая Планка. c - абмежаванне хуткасці ўсіх часціц, хуткасць, з якой усе бязмасштабныя часціцы павінны рухацца, і самая хуткая хуткасць, з якой можа распаўсюджвацца любое ўзаемадзеянне. Пастаянная Планка, ч, была неверагодна важнай для апісання таго, як узровень квантавай энергіі, узаемадзеянне паміж часціцамі і колькасць магчымых вынікаў ацэньваюцца або падлічваюцца. Электрон, які круціцца з пратонам, можа мець любую колькасць энергетычных узроўняў, але яны адбываюцца ў асобных стадыях, дзе памер гэтых крокаў вызначаецца h.

Узровень энергіі і электронныя хвалі, якія адпавядаюць розным станам у атаме вадароду. Узровень энергіі квантуецца ў формуле, якая залежыць ад канстанты Планка. Малюнак: PoorLeno з Wikimedia Commons.

Збярыце гэтыя тры канстанты: G, c і h, і вы можаце выкарыстоўваць розныя камбінацыі для пабудовы маштабу даўжыні, масы і перыяду часу. Яны вядомыя, адпаведна, як даўжыня Планка, маса Планка і час Планка. (Вы можаце пабудаваць іншыя велічыні, таксама, напрыклад, энергію Планка, тэмпературу Планка і гэтак далей.) Гэта, даволі агульна, даўжыня, маса і часовыя шкалы, пры якіх - пры адсутнасці іншай інфармацыі - вы маглі б чакаць квантавыя эфекты становяцца важнымі. Ёсць усе важкія прычыны, каб паверыць, што гэта сапраўды так, і гэта даволі лёгка зразумець, чаму.

Хоць рэнтгеналагічныя назіранні ўстанавілі абмежаванне на дэталёвую прастору, яны не прамацаліся нідзе бліжэй да шкалы Планка. Малюнак: рэнтген: NASA / CXC / FIT / E. Перлман; Ілюстрацыя (унізе): CXC / M. Вайс.

Уявіце, у вас была часціца пэўнай масы. Вы можаце спытаць сябе: "калі ў мяне была часціца гэтай масы, які невялікі аб'ём трэба было б сціснуць, каб стаць чорнай дзіркай?" Вы таксама можаце спытаць: "Калі б у мяне была чорная дзірка такога памеру, колькі часу спатрэбілася б, каб часціца, якая рухаецца са хуткасцю святла, каб перайсці такую ​​ж адлегласць?" Маса Планка, даўжыня Планка і час Планка адпавядаюць менавіта гэтым значэнням: чорная дзірка масы Планка мае фізічны памер даўжыні Планка і будзе мець светлавы час у шляху, які праходзіць праз гэтую адлегласць часу Планка.

Хоць квантавыя гравітацыйныя эфекты могуць выяўляцца ў чорных дзірках, яму спатрэбіцца вельмі-вельмі маленькая чорная дзірка, каб мець шанцы на назіранне такіх эфектаў. Крэдыт на малюнак: NASA / Эймскі даследчы цэнтр / C. Гензэ.

Але маса Планка - нашмат большая, чым любая часціца, якую мы калі-небудзь стваралі; гэта ў 10 разоў цяжэй, чым пратон! Даўжыня Планка, магчыма, у 10 разоў меншая за любую шкалу адлегласці, якую мы калі-небудзь праводзілі, у той час як час Планка ў 10² ⁵ разоў меншы за любое прамое вымярэнне. Гэтыя маштабы не былі нам даступныя непасрэдна, але яны важныя па іншай прычыне: энергія Планка (якую вы можаце атрымаць, паклаўшы масу Планка ў E = mc²) - гэта маштаб, пры якім квантавыя гравітацыйныя эфекты павінны стаць важнымі.

Там, дзе крывізна прасторы часу становіцца досыць вялікай, квантавыя эфекты таксама становяцца вялікімі; досыць вялікі, каб пазбавіць нас нармальных падыходаў да праблем фізікі. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя паскаральніка SLAC.

Гэта азначае, што пры энергіях, якія высокія - альбо, што эквівалентна, маштабы часу карацейшыя, чым час Планка, альбо даўжыня, меншая за даўжыню Планка - нашы сучасныя законы фізікі павінны разбурацца. Квантовыя гравітацыйныя эфекты набываюць важнае значэнне, а значыць, прагнозы агульнай адноснасці становяцца ненадзейнымі. Крывізна прасторы становіцца вельмі вялікай, а значыць, "фон", які мы выкарыстоўваем для вылічэння квантавых велічынь, таксама ненадзейны. Суадносіны нявызначанасці энергія / час азначае, што нявызначанасць становіцца большай, чым рэчы, якія мы ведаем, як разлічыць. Карацей кажучы, фізіка як мы ведаем - яна больш не працуе.

Падзея бозона Хігса, як бачна ў кампактным дэтэктары магнітнага магніта на Вялікім адронным калайдары. Гэта відовішчнае сутыкненне на 15 парадкаў ніжэй за энергію Планка. Крэдыт малюнкаў: Супрацоўніцтва CERN / CMS.

Гэта не вялікая праблема для нашага Сусвету. Гэтыя энергетычныя маштабы ў 10 разоў вышэйшыя за вялікія адронныя калайдэры, прыблізна ў 100 000 000 разоў больш, чым самыя энергетычныя часціцы, якія стварае сама Сусвет (найвышэйшая энергія касмічных прамянёў), і нават каэфіцыент прыблізна на 10 000 вышэй, чым Сусвет, дасягнуты адразу пасля Вялікі выбух. Але калі б мы хацелі прааналізаваць гэтыя межы, ёсць адно месца, дзе яны могуць быць важныя: у асаблівасцях, размешчаных у цэнтрах чорных дзірак.

Чорная дзірка славіцца паглынаннем матэрыі і наяўнасцю гарызонту падзей, з якога нічога не вырвецца, але самая цікавая і недаследаваная фізіка адбываецца ў цэнтральнай незвычайнасці. Малюнак: рэнтген: NASA / CXC / UNH / D.Lin і інш., Аптычны: CFHT, ілюстрацыя: NASA / CXC / M.Weiss.

У гэтых месцах масы, якія значна перавышаюць масу Планка, сціскаюцца ў памер, тэарэтычна меншы за даўжыню Планка. Калі ў Сусвеце ёсць месца, дзе мы перасякаем гэтыя лініі і ўступаем у рэжым Планка, гэта ўсё. Мы не можам атрымаць доступ да іх сёння, бо яны агароджаныя гарызонтам падзей чорнай дзіркі і таму недаступныя. Але калі мы будзем дастаткова цярплівыя - і для гэтага патрабуецца шмат цярпення - Сусвет дасць нам нашу магчымасць.

Прыблізна праз 1–1 год усе чорныя дзіркі Сусвету цалкам выпарыцца з-за выпраменьвання Хокінга, у залежнасці ад масы чорнай дзіры. Малюнак: НАСА.

Вы бачыце, чорныя дзіркі з часам вельмі павольна. Спалучэнне квантавай тэорыі поля ў скрыўленым прасторы часу Агульнай адноснасці азначае, што невялікая колькасць выпраменьвання выпраменьваецца ў прастору за межамі гарызонту падзей, і энергія для гэтага выпраменьвання выходзіць з масы чорнай дзіры. З цягам часу маса чорнай дзіры сціскаецца, гарызонт падзей скарачаецца, і прыкладна праз 10⁶⁷ гадоў чорная дзірка сонечнай масы цалкам выпарыцца. Калі б мы маглі атрымаць доступ да ўсёй радыяцыі, пакідаючы чорную дзірку, у тым ліку ў тыя самыя канчатковыя моманты, мы, несумненна, змаглі б сабраць разам, ці былі нейкія квантавыя эфекты, якія нашы сучасныя тэорыі не прадказвалі.

Прыклад выпраменьвання Хокінга, які пакідае чорную дзірку зблізку гарызонту падзей. (Толькі якасная ілюстрацыя!) Крэдыт малюнка: Э. Зігель.

Гэта не абавязкова так, што прастору немагчыма падзяліць на меншыя адзінкі, чым даўжыня Планка, і гэты час не можа быць падзелены на адзінкі, меншыя за час Планка. Мы проста ведаем, што наша апісанне Сусвету, уключаючы нашы фізічныя законы, не можа быць усё, што ёсць на гэтых маштабах. Ці сапраўды прастора квантавана? Час прынцыпова бесперапынны і цячэ? І што мы робім з таго, што ўсе вядомыя фундаментальныя часціцы ў Сусвеце маюць значна, значна меншую масу, чым маса Планка? Гэта нявырашаныя пытанні па фізіцы. Шкала Планка не столькі фундаментальная мяжа Сусвету, колькі сапраўдная мяжа ў нашым разуменні Сусвету. Вось чаму мы расследуем! Магчыма, па меры павелічэння нашых ведаў калі-небудзь з'явяцца адказы на пытанне, ці ёсць фундаментальная мяжа прасторы і часу.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Кампанія "Пачатак з выбуху" заснавана ў Forbes і апублікаваная на "Сярэднім" дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Замовіце першую кнігу Ітана "За межамі Галактыкі" і загадзя загадайце новую кнігу "Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive!"