černé díry mohou být naší nejlepší volbou pro zkoumání kvantových gravitačních efektů, jako prostor velmi… v blízkosti centrální singularity se očekává, že tyto účinky budou nejdůležitější. Pod určitou vzdáleností však nejsme schopni přesně popsat vesmír, a to ani teoreticky. Existence nejmenšího měřítka vzdálenosti, ve kterém zákony fyziky v současné době dává smysl, je pro fyziky dosud nevyřešené puzzle.
NASA / Ames Research Center / C., Henze
Pokud byste chtěli pochopit, jak náš vesmír funguje, museli byste ho prozkoumat na základní úrovni. Makroskopické objekty jsou tvořeny částicemi, které mohou být detekovány pouze tím, že půjdou do subatomárních měřítek. Chcete-li prozkoumat vlastnosti vesmíru, musíte se podívat na nejmenší složky na nejmenších možných měřítcích. Pouze pochopením toho, jak se chovají na této základní úrovni, můžeme doufat, že pochopíme, jak se spojují a vytvářejí vesmír v lidském měřítku, který známe.,
ale nemůžete extrapolovat to, co víme o malém vesmíru, na libovolně malé vzdálenosti. Pokud se rozhodneme jít dolů asi 10-35 metrů-Planck distance scale – naše konvenční fyzikální zákony dávají nesmysly pouze pro odpovědi. Zde je příběh o tom, proč pod určitou délkou nemůžeme říci nic fyzicky smysluplného.
často Jsme se představit prostor jako 3D mřížka, i když je to na rámu-závislé zjednodušení, kdy… zvažujeme koncept časoprostoru., Otázka, zda je prostor a čas diskrétní nebo spojitý a zda existuje nejmenší možná délka, je stále nezodpovězena. Víme však, že pod planckovou vzdáleností nemůžeme vůbec nic předvídat s žádnou přesností.
ReunMedia / Storyblocks
Představte si, pokud chcete, jeden z klasických problémů kvantové fyziky: částice v krabici. Představte si jakoukoli částici, která se vám líbí, a představte si, že je nějak omezena na určitý malý objem prostoru., Nyní, v této kvantové hře peek-A-boo, položíme nejjednodušší otázku, kterou si dokážete představit: „kde je tato částice?“
můžete provést měření pro určení polohy částice a toto měření vám dá odpověď. S tímto měřením však bude spojena inherentní nejistota, kde nejistota je způsobena kvantovými účinky přírody.
jak velká je tato nejistota? Souvisí to jak S L, tak S L, kde je Planckova konstanta a L je velikost krabice.,
tento diagram ilustruje inherentní vztah nejistoty mezi polohou a hybností. Když jeden… je známo přesněji, druhý je ve své podstatě méně schopen být přesně znám.
Wikimedia Commons user Maschen
Pro většinu experimenty provádíme, Planckova konstanta je malá ve srovnání s žádné skutečné měřítko vzdálenosti jsme schopni sondování, a tak, když jsme se prozkoumat nejistotu dostaneme — týkající se obou ħ a L — budeme vidět malý vlastní nejistoty.
ale co když je l malý?, Co když je L tak malý, že je ve vztahu k němu buď srovnatelně velký, nebo dokonce menší?
zde můžete vidět, jak se problém začíná objevovat. Tyto kvantové korekce, které se vyskytují v přírodě, nevznikají jednoduše proto, že existuje hlavní, klasický efekt a pak vznikají kvantové korekce řádu. Existují opravy všech objednávek: ~ ħ, ~ ħ2, ~ ħ3 a tak dále., Tam je určitou délku měřítku, známá jako Planckova délka, kam když se dostanete, tím vyšší pořadí podmínek (které jsme se obvykle ignorovat), se stávají stejně důležité, nebo ještě důležitější než to, kvantové opravy jsme normálně použít.
energetické hladiny a elektron wavefunctions, které odpovídají na různé státy v rámci vodík… atom, i když konfigurace jsou velmi podobné pro všechny atomy., Energetické hladiny jsou kvantovány v násobcích Planckovy konstanty, ale velikosti orbitalů a atomů jsou určeny energií v zemi a hmotností elektronu. Další efekty mohou být jemné, ale posunout energetické hladiny v měřitelné, kvantifikovatelné módy. Všimněte si, že potenciál vytvořený jádrem funguje jako „krabice“, která omezuje fyzický rozsah elektronu, podobný myšlenkovému experimentu částic v krabici.
PoorLeno z Wikimedia Commons
Co je to tedy měřítko kritické délky?, Planckova stupnice byla poprvé uvedena fyzikem Maxem Planckem před více než 100 lety. Planck vzal tři konstanty přírody:
- G, gravitační konstanta Newtonova a Einsteinova teorie gravitace,
- ħ, Planckova konstanta, nebo základní kvantová konstanta přírody, a
- c, rychlost světla ve vakuu,
a uvědomil si, že můžete kombinovat v různých způsobů, jak získat jednu hodnotu pro hmotnost, jinou hodnotu pro čas, a jinou hodnotu pro vzdálenost., Tato tři množství jsou známá jako Planckova hmotnost (která vychází asi na 22 mikrogramů), Planckův čas (kolem 10-43 sekund) a Planckova délka (asi 10-35 metrů). Pokud vložíte částici do krabice, která je Planckova délka nebo menší, nejistota v její poloze se stává větší než velikost krabice.
pokud omezíte částici na prostor a pokusíte se měřit její vlastnosti, bude kvantová… účinky úměrné Planckově konstantě a velikosti krabice., Pokud je krabice velmi malá, pod určitou délkovou stupnicí, tyto vlastnosti nelze vypočítat.
Andy Nguyen / ut-Medical School v Houstonu
ale v příběhu je mnohem víc než to. Představte si, že jste měli částici určité hmoty. Pokud jste tuto hmotu stlačili na dostatečně malý objem, dostali byste černou díru, stejně jako byste pro jakoukoli hmotu. Pokud jste vzali Planckovu hmotu-která je definována kombinací těchto tří konstant ve formě √(ħc/G) — a položili tuto otázku, jakou odpověď byste dostali?,
zjistili byste, že objem prostoru, který potřebujete k obsazení, by byla koule, jejíž poloměr Schwarzschild je dvojnásobek délky Plancka. Pokud jste se zeptali, jak dlouho by trvalo přejít z jednoho konce černé díry na druhý, délka času je čtyřikrát Planck čas. Není náhoda, že tato množství souvisí, to není překvapivé. Co by však mohlo být překvapivé, je to, co to znamená, když začnete klást otázky o vesmíru v těchto malých vzdálenostech a časových měřítcích.,
energie fotonu závisí na vlnové délce má; delší vlnové délky jsou nižší v oblasti energetiky a… kratší vlnové délky jsou vyšší. V zásadě neexistuje žádný limit na to, jak krátká může být vlnová délka, ale existují i jiné obavy z fyziky, které nelze ignorovat.
uživatel Wikimedia Commons maxhurtz
k měření čehokoliv na Planckově stupnici potřebujete částici s dostatečně vysokou energií, abyste ji mohli sondovat., Energie částice odpovídá vlnové délce (buď foton vlnové délky pro světlo nebo de Broglieho vlnová délka pro věc), a dostat se do Planckovy délky, budete potřebovat částic v Planckově energii: ~1019 GeV, nebo přibližně biliard krát větší, než je maximální energie LHC.
Pokud byste měli částici, která tuto energii skutečně dosáhla, její hybnost by byla tak velká, že nejistota energetické hybnosti by způsobila, že by tato částice byla nerozeznatelná od černé díry. To je skutečně měřítko, ve kterém se naše fyzikální zákony rozpadají.,
simulovaný rozpad černé díry vede nejen k emisi záření, ale k rozpadu… centrální oběžná hmota, která udržuje většinu objektů stabilní. Černé díry nejsou statické objekty, ale spíše se mění v průběhu času. U černých děr s NEJNIŽŠÍ hmotností se odpařování stává nejrychlejším.
věda o komunikaci EU
při podrobnějším zkoumání situace se to jen zhoršuje., Pokud začnete přemýšlet o kvantových výkyvech, které jsou vlastní samotnému prostoru (nebo časoprostoru), vzpomenete si, že existuje také vztah nejistoty energie a času. Čím menší je stupnice vzdálenosti, tím menší je odpovídající časový rámec, což znamená větší energetickou nejistotu.
na stupnici Planck distance to znamená vzhled černých děr a červí díry kvantového měřítka, které nemůžeme prozkoumat. Pokud byste prováděli srážky s vyšší energií, jednoduše byste vytvořili větší masové (a větší) černé díry, které by se pak odpařovaly Hawkingovým zářením.,
ilustrace konceptu kvantové pěny, kde jsou kvantové fluktuace velké, rozmanité a… důležité na nejmenších stupnicích. Energie spojená s prostorem kolísá ve velkém množství na těchto stupnicích. Pokud zobrazení váhy, které jsou dostatečně malé, takové, jak se blíží Planckově délce, výkyvy stát dostatečně velký, že vytvářejí černé díry spontánně.
NASA/CXC/m. Weiss
můžete tvrdit, že možná proto potřebujeme kvantovou gravitaci., Že když vezmeme kvantová pravidla, která známe a aplikujeme je na gravitační zákon, který známe, je to jednoduše zdůraznění základní neslučitelnosti mezi kvantovou fyzikou a obecnou relativitou. Ale není to tak jednoduché.
energie je energie A víme, že způsobuje křivku prostoru. Pokud se začnete pokoušet provádět výpočty kvantové teorie pole na planckově stupnici nebo v její blízkosti, už nevíte, v jakém typu časoprostoru provedete výpočty. I v kvantové elektrodynamiky nebo kvantové chromodynamiky, můžeme léčit pozadí časoprostoru, kde tyto částice existují, aby bylo ploché., I kolem černé díry můžeme použít známou prostorovou geometrii. Ale u těchto ultra-intenzivní energie není zakřivení prostoru známo. Nemůžeme spočítat nic smysluplného.
kvantová gravitace se snaží spojit Einsteinovu obecnou teorii Relativity s kvantovou mechanikou…. Kvantové korekce klasické gravitace jsou vizualizovány jako smyčkové diagramy, jak je zde znázorněno v bílé barvě., Zda je samotný prostor (nebo čas) diskrétní nebo spojitý, není dosud rozhodnuto, stejně jako otázka, zda je gravitace vůbec kvantována, nebo částice, jak je známe dnes, jsou zásadní nebo ne. Ale pokud doufáme v základní teorii všeho, musí zahrnovat kvantizované pole.
SLAC National Accelerator Lab
Na energie, které jsou dostatečně vysoké, nebo (ekvivalentně) v dostatečně malé vzdálenosti, nebo na krátké časy, naše současné zákony fyziky selhávají., Zakřivení prostoru na pozadí, které používáme k provádění kvantových výpočtů, je nespolehlivé a vztah nejistoty zajišťuje, že naše nejistota je větší než jakákoli předpověď, kterou můžeme udělat. Fyzika, kterou známe, již nemůže být použita, a to je to, co máme na mysli, když říkáme, že „fyzikální zákony se rozpadají.“
ale může existovat cesta ven z tohoto hlavolamu. Existuje myšlenka, která se po dlouhou dobu — od Heisenbergu — vznášela -, která by mohla poskytnout řešení: možná existuje zásadně minimální měřítko délky pro samotný prostor.,
reprezentace plochého, prázdného prostoru bez ohledu na energii nebo zakřivení jakéhokoli typu. Pokud tento prostor… je zásadně diskrétní, což znamená, že vesmír má minimální délku, měli bychom být schopni navrhnout experiment, který, alespoň teoreticky, ukazuje toto chování.
Amber Stuver, ze svého blogu, Living Ligo
samozřejmě, že konečná, minimální délka stupnice by vytvořila vlastní sadu problémů., V Einsteinově teorii relativity můžete umístit imaginární pravítko kdekoli a zdá se, že se zkracuje na základě rychlosti, s jakou se k němu pohybujete. Kdyby byl prostor diskrétní a měl minimální délku, různí pozorovatelé — tj. lidé pohybující se různými rychlostmi — by nyní měřili jinou základní délkovou stupnici od sebe navzájem!
to silně naznačuje, že by existoval „privilegovaný“ referenční rámec, kde by jedna konkrétní rychlost vesmírem měla maximální možnou délku, zatímco všechny ostatní by byly kratší., To znamená, že něco, o čem si v současné době myslíme, že je zásadní, jako Lorentzova invariance nebo lokalita, musí být špatné. Podobně diskretizovaný čas představuje velké problémy pro obecnou relativitu.
tento obrázek světla procházejícího disperzním hranolem a oddělujícího se na jasně definované… barvy, je to, co se stane, když mnoho fotonů střední až vysoké energie narazí na krystal. Pokud bychom to nastavili pouze jedním fotonem, množství, které krystal přesunul, by mohlo být v diskrétním počtu prostorových kroků.,“
uživatel Wikimedia Commons Spigget
stále může existovat způsob, jak otestovat, zda existuje nejmenší měřítko délky nebo ne. Tři roky před smrtí předložil fyzik Jacob Bekenstein skvělý nápad na experiment. Pokud projdete jedním fotonem krystalem, způsobí to, že se bude pohybovat mírným množstvím.
Protože fotony mohou být naladěny na energie (průběžně), a krystaly mohou být velmi masivní ve srovnání s foton hybnost, můžeme zjistit, zda krystal se pohybuje v diskrétní „kroky“, nebo průběžně., Při nízkoenergetických fotonech, pokud je prostor kvantován, by krystal buď pohnul jedním kvantovým krokem, nebo vůbec ne.
tkanina časoprostoru, ilustrovaná, s vlnami a deformacemi způsobenými hmotou. Nicméně, dokonce… i když se v tomto prostoru děje mnoho věcí, nemusí se rozdělit na jednotlivé kvanty samotné.,
Evropská Gravitační Observatoř, Lionel BRET/EUROLIOS
V současné době, není tam žádný způsob, jak předpovědět, co se bude dít na vzdálenosti váhy, které jsou menší, než o 10-35 metrů, ani na lhůty, které jsou menší než přibližně 10-43 sekundy. Tyto hodnoty jsou nastaveny základními konstantami, které řídí náš vesmír. V kontextu obecné Relativity a kvantové fyziky nemůžeme jít dál než tyto limity, aniž bychom dostali nesmysly z našich rovnic výměnou za naše potíže.,
To může být ještě v případě, že kvantová teorie gravitace odhalí vlastnosti našeho Vesmíru mimo tyto limity, nebo že někteří základních paradigmat, které se týkají povahy prostoru a času nám mohl ukázat novou cestu vpřed. Pokud však vycházíme z našich výpočtů na tom, co dnes víme, neexistuje způsob, jak jít pod Planckovu stupnici, pokud jde o vzdálenost nebo čas. Na této frontě může dojít k revoluci, ale ukazatele nám ještě neukázaly, kde k ní dojde.