Что меньше планковской длины

Расстояние, меньше которого перестаёт существовать само пространство

Вооружившись ручкой и листом бумаги, мы можем оперировать практически неограниченными величинами, но то что возможно в математике, зачастую оказывается невозможно в физике.

Возьмите некую длину и разделите ее пополам, затем разделите на две части полученную половинку и повторите это снова и снова. Каждый раз вы будете получать всё меньшие значения, это понятно, но каковым будет конечный результат такого деления?

Меньше быть уже ничего не может, ибо, как предполагается, при преодолении планковской длины перестает существовать само пространство. Впрочем, не всё так очевидно.

Утверждение, что планковская длина является минимальной основывается на невозможности измерить меньшие расстояния. Ведь что нужно, чтобы измерить тот или иной отрезок или объект? Если он достаточно велик, приложить к нему линейку, если микроскопически мал — направить на него поток фотонов, которые, будучи отраженными, зарегистрируются высокоточными приборами.

Но вот тут начинается самое интересное. Чем меньше длина волны, тем более маленькие объекты можно измерять, однако вместе с уменьшением длины волны возрастает и энергия излучаемых фотонов. Так вот, в какой-то момент длина волны окажется настолько малой, а энергия электромагнитного излучения настолько большой, что фотоны коллапсируют в микроскопическую черную дыру, которая тут же подвергнется распаду. То есть измерить расстояние меньшее мы не сможем просто в силу ограничивающих нас законов физики.

Эта предельная длина волны как раз и равна планковской естественной единице.

Возможно ли существование длин меньше планковской хотя бы гипотетически?

Да, но тогда вся выведенная из Общей теории относительности геометрия пространства утратила бы свой смысл. Чтобы описать меньшие величины, если они возможны в принципе, нам потребуется еще более совершенная и масштабная теория, которая объединит теорию относительности с квантовой механикой или та самая Теория всего, над созданием которой трудятся лучшие умы планеты.

Источник

Почему существуют пределы того, что могут прогнозировать физики?

Если делить вещество во Вселенной на все меньшие и меньшие составляющие, вы в конечном итоге достигнете ограничения, столкнувшись с фундаментальной и неделимой частицей. Все макроскопические объекты можно поделить на молекулы, даже атомы, затем электроны (которые фундаментальны) и ядра, затем на протоны и нейтроны, и, наконец, внутри них будут кварки и глюоны. Электроны, кварки и глюоны — примеры фундаментальных частиц, которые нельзя разделить еще больше. Но как такое возможно, чтобы у самого времени и пространства были такие же ограничения? Почему вообще существуют значения Планка, которые уже нельзя делить дальше?

Чтобы понять, откуда берется планковская величина, стоит начать с двух столпов, которые управляют реальностью: общая теория относительности и квантовая физика.

Общая теория относительности связывает материю и энергию, существующие во Вселенной, с кривизной и деформацией ткани пространства-времени. Квантовая физика описывает, как различные частицы и поля взаимодействуют между собой внутри ткани пространства-времени, в том числе и в очень малых масштабах. Существует две фундаментальные физические константы, которые играют роль в общей теории относительности: G — гравитационная постоянная Вселенной, и c — скорость света. G возникает, поскольку задает показатель деформации пространства-времени в присутствии вещества и энергии; c — потому что это гравитационное взаимодействие распространяется в пространстве-времени на скорости света.

В квантовой механике тоже появляется две фундаментальные константы: c и h, где последняя — это постоянная Планка. c — это ограничение скорости всех частиц, скорость, с которой должны двигаться все безмассовые частицы, и максимальная скорость, с которой может распространяться любое взаимодействие. Постоянная Планка была невероятной важной для описания того, как квантуются (считаются) квантовые энергетические уровни, взаимодействия между частицами и все возможные исходы событий. Электрон, вращающийся вокруг протона, может иметь любое количество энергетических уровней, но все они появляются дискретными шагами, и размер этих шагов определяется h.

Совместите три этих постоянных: G, c и h, и сможете использовать разные их сочетания для построения шкалы длины, массы и периода времени. Они известны, соответственно, как длина Планка, масса Планка и время Планка. (Можно построить и другие величины, например, энергию Планка, температуру Планка и так далее). Все это, в общем и целом, шкала длины, массы и времени, при которых — в отсутствие какой-либо другой информации — будут значительными квантовые эффекты. Есть хорошие причины полагать, что это так и есть, и довольно легко понять — почему так.

Представьте, что у вас есть частица определенной массы. Вы задаете вопрос: «Если бы моя частица имела такую массу, в насколько малый объем ее нужно сжать, чтобы она стала черной дырой?». Вы еще можете спросить: «Если бы у меня была черная дыра определенного размера, за какое время частица, двигающаяся на скорости света, преодолела бы расстояние, равное этому размеру?». Масса Планка, длина Планка и время Планка соответствуют именно таким величинам: черная дыра планковской массы будет планковской длины и пересекаться со скорость света за планковское время.

Но планковская масса намного, намного более массивна, чем любые частицы, которые мы когда-либо создавали; она в 10 19 раз тяжелее протона! Длина Планка, точно так же, в 10 14 раз меньше любого расстояния, которое мы когда-либо зондировали, а планковское время в 10 25 раз меньше любого прямо измеренного. Эти масштабы никогда не были напрямую доступны для нас, но они важны по другой причине: планковская энергия (которую вы можете получить, поместив планковскую массу в E = mc 2 ) – это масштаб, при котором квантово-гравитационные эффекты начинают приобретать важность и значимость.

Это значит, что при энергии такой величины — или временных масштабах короче времени Планка, или шкалы длины меньше длины Планка — наши нынешние законы физики должны нарушаться. В игру вступают эффекты квантовой гравитации, и предсказания общей теории относительности перестают быть надежными. Кривизна пространства становится очень большой, а значит и «фон», который мы используем для расчета квантовых величин, тоже перестает быть надежным. Неопределенность энергии и времени означает, что неопределенности становятся выше значений, которые мы знаем как рассчитать. Короче говоря, привычная нам физика больше не работает.

Для нашей Вселенной это не проблема. Эти энергетические масштабы в 10 15 раз выше, чем те, которых может достичь Большой адронный коллайдер, и в 100 000 000 раз больше самых энергетических частиц, которые создает сама Вселенная (космические лучи высокой энергии), и даже в 10 000 раз выше показателей, которых достигла Вселенная сразу после Большого Взрыва. Но если бы мы хотели исследовать эти пределы, есть одно место, где они могут быть важны: в сингулярностях, расположенных в центрах черных дыр.

В этих местах массы, значительно превосходящие планковскую массу, сжимаются в размер, теоретически меньший длины Планка. Если во Вселенной есть место, где мы сводим все линии в одну и входим в режим Планка, то это оно. Мы не можем получить к нему доступ сегодня, потому что оно закрыто горизонтом событий черной дыры и недоступно. Но если мы будем достаточно терпеливы — а терпения потребуется много — Вселенная даст нам такую возможность.

Видите ли, черные дыры со временем медленно распадаются. Интеграция квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени ОТО означает, что небольшое количество излучения испускается в пространстве вне горизонта событий, а энергия для этого излучения исходит из массы черной дыры. Со временем масса черной дыры уменьшается, горизонт событий сжимается, и через 10 67 лет черная дыра солнечной массы полностью испарится. Если бы мы могли получить доступ ко всему излучению, покинувшему черную дыру, включая самые последние моменты ее существования, мы, несомненно, смогли бы собрать воедино все квантовые эффекты, которых не предсказывали наши лучшие теории.

Совсем не обязательно, что пространство нельзя разделить на еще более мелкие единицы, чем планковская длина, и что время нельзя разделить на единицы меньшие, чем планковское время. Просто мы знаем, что наше описание Вселенной, в том числе наши законы физики, не могут выйти за пределы этих масштабов. Квантуемо ли пространство? Течет ли время непрерывно на самом деле? И что нам делать с тем фактом, что все известные фундаментальные частицы во Вселенной имеют массы намного, намного меньше планковской? На эти вопросы в физике нет ответов. Планковские масштабы не столь фундаментальны в ограничении Вселенной, сколь в нашем понимании Вселенной. Поэтому мы продолжаем экспериментировать. Возможно, когда у нас будет больше знаний, мы получим ответы на все вопросы. Пока нет.

Источник

Планковская длина и объем

Планковская длина – «естественная единица» измерения длины, которая была предложена немецким физиком Максом Планком в 1899-м году вместе с несколькими другими «планковскими единицами».

Измерение длины

Планковская длина накладывает ограничение на возможность измерения длины. То есть если передвинуть любой объект на одну планковскую длину (или меньше) в сторону, то отследить изменение его положения не предоставляется возможным.

Дело в том, что для определения положения любого тела следует «пустить» в его сторону поток электромагнитного излучения, фотонов, после чего он возвратится на датчики измерительных приборов. Точность такого измерения будет зависеть от длины волны этого излучения. Тогда чтобы отследить изменение положения тела порядка планковской длины, потребуется электромагнитная волна длиной не больше планковской длины. С уменьшением длины волны излучения возрастает энергия фотонов. С упомянутой же длиной волны энергия фотонов была бы настолько велика, что они сколлапсировали бы в маленькие черные дыры, что не позволило бы провести измерение.

То есть, как и некоторые другие планковские величины, планковская длина является нижним пределом расстояния, на котором действуют известные нам физические законы, излагаемые общей теорией относительности и квантовой физикой.

Нажмите кнопку СТАРТ и откройте для себя новый, неизведанный мир!

Эвклидова геометрия и гравитация

Планковская длина ограничивает также область применения так называемой эвклидовой геометрии. Последняя представлена рядом аксиом, с которыми мы знакомились еще в средней школе, например одна из них гласит: «между двумя любыми точками пространства всегда можно провести прямую, и только одну».

В силу флуктуаций, или иначе – колебаний, любого гравитационного поля, на некоторых масштабах, пространство искажается, а вместе с ним и его геометрия. Математическим способом был выведен масштаб, в рамках которого геометрия пространства полностью отличается от эвклидовой геометрии. Как оказалось он равен планковской длине.

Это означает, что в масштабах планковской длины и меньше привычная для нас геометрия не работает, и нельзя утверждать об истинности вышеупомянутой аксиомы.

Планковский объем и квантование пространства

Материалы по теме

Инфляционная модель Вселенной

Планковский объем – в планковской системе, единица измерения объема. Равняется кубическому произведению планковской длины. Исходя из сказанного ранее, область менее планковского объема не возможна для исследования.

Больше полувека назад среди ученых зародилась идея квантования пространства-времени, к которой их привела цель объединить общую теорию относительности и квантовую теорию. Квантование, простыми словами, — это разделение пространства-времени на множество ячеек минимального размера, в роли которого и ожидалось увидеть планковский объем/длину.

Примечательно, что результаты наблюдений современной международной космической обсерватории «Integral» за яркими источниками света позволили ученым математически подсчитать верхний предел размера таких ячеек, если они вообще существуют. Он оказался даже меньше планковского объема/длины — 10 −48 метров. Впрочем, существует ряд аргументов против квантования пространства, в том числе опирающихся на уравнения Эйнштейна (тензор Эйнштейна).

Так или иначе, на сегодня невозможно как экспериментально, так и теоретически изучить физику в области менее планковского объема.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Планковская длина и планковское время: хранители тайн Вселенной

За последние 100 лет физики построили точные и действенные теории о Вселенной — от самого маленького до самого большого. Однако есть масштабы, на которых все эти теории не работают и которые хранят самые большие тайны о законах природы.

Мы привыкли жить в мире крупных, макроскопических вещей. Все, с чем сталкивается обычный человек в течение дня — от чашки кофе с утра до огромного огненного шара в небе под названием Солнце, — вещи, которые мы можем либо видеть, либо осязать. Однако еще в Древней Греции философы, в частности Демокрит и его учитель Левкипп, предположили, что все состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов (в переводе с греческого буквально означает «неделимый»).

Со временем был открыт атом, а затем и его свойство, что он вовсе не неделимый, а состоит из ядра и вращающегося вокруг него электрона. Затем выяснилось, что и ядро состоит из протонов и нейтронов. Еще позже были открыты кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер. Эти миниатюрные частицы называют элементарными. Помимо кварков, среди элементарных частиц есть уже упомянутые электроны, бозоны, нейтрино и фотоны. Все они считаются теми самыми древнегреческими «атомами» — неделимыми.

В 1899 году (в некоторых источниках — в 1900-м) немецкий физик и по совместительству основоположник квантовой теории Макс Планк предложил особую меру измерения — планковские единицы. Это единицы, предназначенные для упрощения определенных алгебраических выражений, присутствующих в теоретической физике, в частности в квантовой механике. В число их входят такие фундаментальные единицы, как планковская масса, планковская температура, планковская длина и планковское время. В этом материале мы рассмотрим планковскую длину и планковское время и попробуем сделать это наиболее понятным способом, без сложных математических выкладок (хотя некоторые формулы нам понадобятся).

Как вы уже знаете, физика занимается изучением не только огромных космических структур вроде галактик и туманностей, но и невероятно маленькими явлениями на атомном и субатомном масштабах. Однако существует еще одна реальность в масштабах, которые намного меньше того, что науке удалось изучать. На этом уровне есть величина, настолько сильно выходящая за рамки традиционного понимания «маленького», что ее тяжело представить. Это планковская длина — она в 1020 раз меньше диаметра ядра атома водорода. Предполагается (или, точнее сказать, подозревается), что именно на этом уровне формируется «пена» пространства-времени. Чтобы осознать, о какой величине идет речь, можно заглянуть в анимацию «Масштаб Вселенной» по этой ссылке.

И все же о каких размерах идет речь? Планковская длина составляет всего 1,616 х 10-35 метра. Вычислить ее можно при помощи уравнения, включающего в себя целых три фундаментальные константы — постоянную Планка (6,6261 х 10-34), скорость света в вакууме (2,29979 х 108 м/с) и гравитационную постоянную (6,6738 х 10-11):

Впервые Макс Планк пришел к этой примечательной единице после работы над излучением черного тела и квантовой механики. Вероятно, вы слышали, что это самая малая возможная длина.

Тут, как и в случае с древнегреческой концепцией атома, можно сказать: «Конечно, если у меня есть некая длина и я разделяю ее пополам, а затем повторяю это снова и снова, я буду получать все меньшие и меньшие значения». Однако мы говорим о масштабах, на которых физика уже не способна делать то же, что и математика. Один из самых ярких примеров таких невозможностей — движение со сверхсветовой скоростью. То есть на бумаге вы можете применить к массе силу и ускорить ее до скорости света и выше, но нам известно, что в природе это попросту физически невозможно, поскольку масса объекта (а значит, и энергия, необходимая для его ускорения) возрастает бесконечно. Получается, мы не способны осуществить в реальности все, что можем сделать на бумаге.

Теория струн предсказывает существование струн, составляющих все элементарные частицы, именно в масштабах планковской длины / © Universe Review

Итак, каким образом такая малая величина вписывается в физику? Если две частицы разделены планковской длиной или еще меньшим расстоянием, то невозможно определить позиции каждой из них. Более того, любые эффекты квантовой гравитации на этом масштабе (если они вообще есть) неизвестны науке, так как там само пространство не определено должным образом. В некотором смысле можно сказать: даже если бы мы разработали методы измерений, способные «заглянуть» в эти масштабы, мы никогда не смогли бы измерить что-либо меньшее, вне зависимости от дальнейшего совершенствования наших методов и оборудования.

Согласно стандартной космологической модели Вселенная родилась в результате Большого взрыва, начавшегося в бесконечно плотной точке. Особенно интересно то, что физики и космологи не имеют ни малейшего понятия, какие законы физики господствовали во Вселенной, прежде чем она превысила по своим размерам планковскую длину, так как еще нет подтвержденной теории квантовой гравитации. Тем не менее эта единица оказалась полезной во множестве разных уравнений, которые помогли вычислить и исследовать некоторые из самых главных тайн Вселенной.

Например, планковская длина — ключевой компонент в уравнении Бекенштейна и Хокинга для расчета энтропии черной дыры. Струнные теоретики считают, что именно на этом масштабе существуют «вибрирующие» струны, из которых состоят элементарные частицы Стандартной модели. Вне зависимости от того, верна теория струн или нет, с уверенностью можно сказать одно: в поиске объединенной теории всего понимание планковской длины и связанной с ней физики сыграет ключевую роль.

Самые первые моменты существования Вселенной в космологии называют планковской эпохой / © University of Illinois

А что насчет планковского времени? Если в двух словах, то планковское время — это время, за которое свет в вакууме проходит планковскую длину. Следовательно, эти две величины связаны между собой. Любопытно, что для вычисления планковского времени необходимы постоянная Планка, гравитационная постоянная и скорость света в вакууме. Точное значение планковского времени — 5,391 х 10-44 секунд, а вычисляется оно по формуле:

Планковское время также называют квантом времени — самым малым значением времени, имеющим какое-то фактическое значение. Меньшие значения времени не имеют никакого смысла. Возвращаясь к теоретическим гипотезам, струнные теоретики предполагают, что струны размером в планковскую длину вибрируют с периодичностью, соответствующей планковскому времени. В 2003 году при анализе снимков Deep Field с телескопа «Хаббл» некоторые ученые высказали предположения, что если бы на планковском масштабе присутствовали флуктуации пространства-времени, то изображения очень далеких объектов были бы размытыми. Снимки «Хаббла», как они утверждали, были слишком точными, что, по мнению специалистов, ставило под сомнение концепцию планковских масштабов. Другие представители научного сообщества не согласились с этим предположением, отметив, что такие флуктуации были бы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать. Кроме того, было высказано предположение, что ожидаемая размытость была устранена большими размерами объектов на снимках.

Снимок Hubble Ultra-Deep Field / © NASA/ESA/R. THOMPSON

Итак, планковская длина и связанное с ней планковское время определяют масштабы, на которых современные физические теории перестают работать. Вся геометрия пространства-времени, предсказанная Общей теорией относительности, перестает иметь всякий смысл. Эти масштабы хранят еще неоткрытую теорию, объединяющую Общую теорию относительности и квантовую механику, которая сможет наиболее полно описать законы физики. В сущности говоря, именно по этой причине современные описания развития Вселенной начинаются только спустя 5,391 х 10-44 секунд после Большого взрыва, когда Вселенная была размером 1,616 х 10-35 метров.

Источник

Расстояние, меньше которого перестаёт существовать пространство

Имея в руках ручку и листочек, мы в состоянии управлять по сути огромным диапазоном величин. Но то, что является нормой в математике, зачастую в физике находится за гранью реальности.

Возьмите любую величину и поделите её пополам, потом разделите ещё на 2 части, а затем повторяйте эти действия раз за разом. В процессе эта величина будет уменьшаться во много раз, но когда же наступит предел этого деления?

С математической точки зрения данный процесс может продолжаться хоть до бесконечности, но физики не разделяют это убеждение. Они уверены, что существует настолько крошечная величина, что её будет уже невозможно разделить ни на сколько частей. Такая величина именуется планковской длиной, в честь немецкого физика Макса Планка, который является самим первооткрывателем этой фундаментальной единицы. Планк назвал её «естественной единицей». Её длина равна 1.6*10^-35 метра, и для сравнения, это меньше диаметра ядра атома водорода в 10^20 раза.

Разделить эту длину невозможно, так как в пространстве, которое меньше этой длины, прекращает существовать пространство.
На самом деле, планковская длина считается минимальной по причине невозможности зафиксировать настолько небольшие расстояния. Ведь для измерения объекта мы используем линейку, когда это возможно, а если он микроскопически мал, мы направляем на него поток фотонов, которые потом отразятся от его поверхности и будут зафиксированы специальными приборами.

Но при измерении планковской длины возникают некоторые проблемы. Чем короче волна, тем более мелкие объекты возможно измерить с её помощью. Однако при уменьшении длины волны увеличивается энергия излучаемых фотонов. И в один момент длина волны может стать настолько мала, а электромагнитное излучение настолько огромным, что фотоны могут образовать крошечную чёрную дыру, которая сразу после рождения подвергнется распаду. Получается, мы не в состоянии измерить расстояние, которое меньше планковской длину из-за ограничений физических законов.

Планковская естественная единица, в свою очередь, равна этой самой минимально возможной длине волны.

Теоретически, реальны ли величины меньше планковской?

Чисто гипотетически, это возможно, однако в таком случае, все законы геометрии пространства, основанные на Общей теории относительности, потеряют свой смысл. Для того, чтобы более конкретно описать величины меньше планковской, необходимо найти новую, более совершенную теорию, которая будет объединять и связывать теорию относительности и квантовую механику. В настоящее время ученые трудятся над так называемой, Теорией всего, которая бы сумела объяснить всё происходящее во Вселенной, однако пока это что-то на грани с фантастикой.

Источник