sorte huller kan være vores bedste mulighed for at udforske kvante gravitationseffekter, som rummet meget… tæt på den centrale singularitet er, hvor disse effekter forventes at være vigtigst. Imidlertid, under en bestemt afstandsskala, vi er ikke i stand til nøjagtigt at beskrive universet, selv i teorien. Eksistensen af en mindste afstand skala, hvor fysikkens love i øjeblikket giver mening er et puslespil endnu-til-være-løst for fysikere.NASA / Ames Research Center / C., Hen .e
Hvis du ville forstå, hvordan vores univers fungerer, skal du undersøge det på et grundlæggende niveau. Makroskopiske objekter består af partikler, som kun kan detekteres ved at gå til subatomære skalaer. For at undersøge universets egenskaber skal du se på de mindste bestanddele på de mindste mulige skalaer. Kun ved at forstå, hvordan de opfører sig på dette grundlæggende niveau, kan vi håbe på at forstå, hvordan de går sammen om at skabe det menneskelige univers, vi kender.,
men du kan ikke ekstrapolere det, vi ved om selv det lille univers til vilkårligt små afstandsskalaer. Hvis vi beslutter at gå ned til under omkring 10-35 meter-Planck-afstandsskalaen – giver vores konventionelle fysiske love kun nonsens til svar. Her er historien om hvorfor, under en bestemt længdeskala, vi kan ikke sige noget fysisk meningsfuldt.
vi visualiserer ofte rummet som et 3D-gitter, selvom dette er en rammeafhængig overforenkling, når… vi overvejer begrebet rumtid., Spørgsmålet om, hvorvidt rum og tid er diskrete eller kontinuerlige, og om der er en mindste mulig længdeskala, er stadig ubesvaret. Vi ved dog, at vi under Planck-afstandsskalaen ikke kan forudsige noget med nogen nøjagtighed overhovedet.
ReunMedia / Storyblocks
Forestil dig, hvis du vil, et af de klassiske problemer med kvantefysik: partiklen-i-en-boks. Forestil dig enhver partikel, du kan lide, og forestil dig, at den på en eller anden måde er begrænset til et bestemt lille rumfang., Nu, i dette kvantespil af peek-A-boo, vil vi stille det mest enkle spørgsmål, du kan forestille dig: “hvor er denne partikel?”
Du kan foretage en måling for at bestemme partiklens position, og denne måling giver dig et svar. Men der vil være en iboende usikkerhed forbundet med denne måling, hvor usikkerheden skyldes naturens kvanteeffekter.
hvor stor er denne usikkerhed? Det er relateret til både Pl og L, hvor Pl er Plancks konstant, og L er boksens størrelse.,
dette diagram illustrerer den iboende usikkerhedsrelation mellem position og momentum. Når en… er kendt mere præcist, den anden er i sagens natur mindre i stand til at blive kendt nøjagtigt.
Wikimedia Commons bruger Maschen
For de fleste af de eksperimenter, vi udfører, Planck ‘ s konstant er små i forhold til eventuelle faktiske afstand omfang vi er i stand til sondering, og så når vi undersøger den usikkerhed, vi får — både på ħ og L — vi vil se en lille iboende usikkerhed.
men hvad nu hvis L er lille?, Hvad hvis L er så lille, at i forhold til ħ, er det enten sammenligneligt størrelse eller endnu mindre?
det er her, du kan se, at problemet begynder at opstå. Disse kvantekorrektioner, der forekommer i naturen, opstår ikke blot, fordi der er den vigtigste, klassiske effekt, og så er der kvantekorrektioner af orden ~that, der opstår. Der er rettelser af alle ordrer:~~, ~22, ~33 og så videre., Der er en vis længdeskala, kendt som Planck-længden, hvor hvis du når den, bliver de højere ordens vilkår (som vi normalt ignorerer) lige så vigtige som eller endnu vigtigere end de kvantekorrektioner, vi normalt anvender.
energiniveauerne og elektronbølgefunktionerne, der svarer til forskellige tilstande inden for et brint… atom, selvom konfigurationerne er ekstremt ens for alle atomer., Energiniveauet er kvantiseret i multipla af Plancks konstant, men størrelsen af orbitalerne og atomerne bestemmes af jordtilstandsenergien og elektronens masse. Yderligere effekter kan være subtile, men skift energiniveauet i målbare, kvantificerbare mode. Bemærk, at potentialet skabt af kernen fungerer som en ‘boks’, der begrænser elektronens fysiske omfang, svarende til partikel-i-en-boks tankeeksperiment.
PoorLeno af Commonsikimedia Commons
Hvad er så den kritiske længdeskala?, Planck-skalaen blev først fremsat af fysiker Ma.Planck for mere end 100 år siden. Planck fandt de tre konstanter i naturen:
- G, gravitationskonstant-Newton og Einstein ‘s teorier om tyngdekraften,
- ħ, Planck’ s konstant, eller om de grundlæggende quantum konstant karakter, og
- c lysets hastighed i et vakuum,
og indså, at du kan kombinere dem på forskellige måder for at få en enkelt værdi for masse, en anden værdi for tid, og en anden værdi for afstanden., Disse tre mængder er kendt som Planck masse (som kommer ud til omkring 22 mikrogram), Planck tid (omkring 10-43 sekunder), og Planck længde (om 10-35 meter). Hvis du lægger en partikel i en kasse, der er Plancklængden eller mindre, bliver usikkerheden i dens position større end boksens størrelse.
Hvis du begrænser en partikel til et rum og forsøger at måle dens egenskaber, vil der være kvante… effekter proportional med Plancks konstant og størrelsen af kassen., Hvis kassen er meget lille, under en vis længdeskala, bliver disse egenskaber umulige at beregne.Andy Nguyen / UT-Medical School at Houston
men der er meget mere til historien end det. Forestil dig, at du havde en partikel af en bestemt masse. Hvis du komprimerede den masse ned i et lille nok volumen, ville du få et sort hul, ligesom du ville gøre for enhver masse. Hvis du tog Planck-massen-som er defineret af kombinationen af disse tre konstanter i form af √(cc/G) — og stillede det spørgsmål, Hvilken slags svar ville du få?,
du ville opdage, at mængden af plads, du havde brug for den masse at besætte, ville være en kugle, hvis Sch .ar .schild radius er dobbelt Planck længden. Hvis du spurgte, Hvor lang tid det ville tage at krydse fra den ene ende af det sorte hul til den anden, længden af tid er fire gange Planck tid. Det er ikke tilfældigt, at disse mængder er relateret; Det er ikke overraskende. Men hvad der kan være overraskende er, hvad det indebærer, når du begynder at stille spørgsmål om universet på disse små afstand og tidsskalaer.,
energien af en foton afhænger af den bølgelængde, den har; længere bølgelængde er lavere i energi og… kortere bølgelængder er højere. I princippet er der ingen grænse for, hvor kort en bølgelængde kan være, men der er andre fysiske bekymringer, der ikke kan ignoreres.
Wikimedia Commons bruger maxhurtz
for at måle noget på Planck skalaen, ville du brug for en partikel med tilstrækkelig høj energi til at undersøge det., Energien af en partikel svarer til en bølgelængde (enten en foton bølgelængden for lys eller en de Broglie bølgelængde for sagen), og for at komme ned til Planck længder, du har brug for en partikel på Planck energi: ~1019 GeV, eller cirka en billard gange større end den maksimale LHC energi.
Hvis du havde en partikel, der faktisk opnåede den energi, ville dens momentum være så stor, at energi-momentum usikkerheden ville gøre denne partikel uadskillelig fra et sort hul. Dette er virkelig den skala, hvorpå vores fysiske love bryder sammen.,
det simulerede henfald af et sort hul resulterer ikke kun i emission af stråling, men forfaldet af… den centrale kredsløbsmasse, der holder de fleste objekter stabile. Sorte huller er ikke statiske objekter, men ændrer sig snarere over tid. For De laveste masse sorte huller sker fordampning hurtigst.
EU ‘ s kommunikationsvidenskab
Når du undersøger situationen mere detaljeret, bliver den kun værre., Hvis du begynder at tænke på kvantesvingninger, der er forbundet med selve rummet (eller rumtiden), vil du huske, at der også er en energi-tid usikkerhedsrelation. Jo mindre afstandsskalaen er, desto mindre er den tilsvarende tidsskala, hvilket indebærer en større energiusikkerhed.
på Planck-afstandsskalaen indebærer dette udseendet af sorte huller og kvanteskalaormhuller, som vi ikke kan undersøge. Hvis du udførte kollisioner med højere energi, ville du blot skabe større masse (og større størrelse) sorte huller, som derefter ville fordampe via Ha .king-stråling.,
en illustration af begrebet kvanteskum, hvor kvantesvingninger er store, varierede og… vigtigt på den mindste af skalaer. Den energi, der er forbundet med rummet, svinger i store mængder på disse skalaer. Nærmer sig Planck-skalaen, bliver udsvingene store nok til, at de skaber sorte huller spontant.
NASA/C .c/M. NASAEISS
Du kan hævde, at det måske er derfor, vi har brug for kvantegravitet., At når du tager kvantereglerne, vi kender, og anvender dem på tyngdekraften, vi kender, fremhæver dette simpelthen en grundlæggende uforenelighed mellem kvantefysik og generel relativitet. Men det er ikke så enkelt.
energi er energi, og vi ved, at det får plads til at kurve. Hvis du begynder at forsøge at udføre kvantefeltteoriberegninger på eller i nærheden af Planck-skalaen, ved du ikke længere, hvilken type rumtid du skal udføre dine beregninger i. Selv i kvantelektrodynamik eller kvantekromodynamik kan vi behandle baggrundsrumstiden, hvor disse partikler eksisterer for at være flade., Selv omkring et sort hul kan vi bruge en kendt rumlig geometri. Men ved denne ultra-intense energi er krumningen af rummet ukendt. Vi kan ikke beregne noget meningsfuldt.
kvantegravitation forsøger at kombinere Einsteins Generelle Relativitetsteori med kvantemekanik…. Kvantekorrektioner til klassisk tyngdekraft visualiseres som loopdiagrammer, som den her vist i hvidt., Hvorvidt rummet (eller tiden) i sig selv er diskret eller kontinuerligt, er endnu ikke bestemt, ligesom spørgsmålet om tyngdekraften overhovedet er kvantiseret, eller partikler, som vi kender dem i dag, er grundlæggende eller ej. Men hvis vi håber på en grundlæggende teori om alt, skal den indeholde kvantiserede felter.
SLAC National Accelerator Lab
Ved energier, der er tilstrækkeligt høje eller (ækvivalent) på tilstrækkeligt små afstande eller korte tider, bryder vores nuværende fysiske love ned., Baggrunden krumning af rum, som vi bruger til at udføre kvante beregninger er upålidelige, og usikkerheden relation sikrer, at vores usikkerhed er større i størrelsesorden end nogen forudsigelse, Vi kan gøre. Den fysik, som vi kender, kan ikke længere anvendes, og det er det, vi mener, når vi siger, at “fysikkens love bryder sammen.”
men der kan være en vej ud af denne gåde. Der er en ID., der har været flydende rundt i lang tid — siden Heisenberg faktisk — der kunne give en løsning: måske er der en grundlæggende minimal længdeskala til rummet selv.,
en repræsentation af flad, tom plads uden noget, energi eller krumning af enhver type. Hvis dette rum… er fundamentalt diskret, hvilket betyder, at der er en minimumslængdeskala til universet, vi skal være i stand til at designe et eksperiment, der i det mindste i teorien viser den adfærd.Amber Stuver, fra sin blog, Living Ligo
selvfølgelig ville en endelig minimumslængdeskala skabe sit eget sæt problemer., I Einsteins relativitetsteori kan du lægge en imaginær lineal, hvor som helst, og det ser ud til at forkorte baseret på den hastighed, hvormed du bevæger dig i forhold til den. Hvis rummet var diskret og havde en minimumslængdeskala, ville forskellige observatører — dvs. mennesker, der bevæger sig i forskellige hastigheder — nu måle en anden grundlæggende længdeskala fra hinanden!
Det tyder stærkt på, at der ville være en “privilegeret” referenceramme, hvor en bestemt hastighed gennem rummet ville have den størst mulige længde, mens alle andre vil blive kortere., Dette indebærer, at noget, som vi i øjeblikket synes er grundlæggende, som Lorent.invariance eller lokalitet, skal være forkert. På samme måde udgør diskretiseret tid store problemer for generel relativitet.
denne illustration af lys, der passerer gennem et dispersivt prisme og adskiller sig i klart defineret… farver, er hvad der sker, når mange Mellem-til-høj energi fotoner rammer en krystal. Hvis vi skulle sætte dette op med kun en enkelt foton, kunne mængden krystallen flyttes være i et diskret antal rumlige ‘ trin.,’
Wikimedia Commons bruger Spigget
Stadig, der kan faktisk være en måde at teste, om der er en mindste længde omfang eller ikke. Tre år før han døde, fremsatte fysiker Jacob Bekenstein en strålende id.til et eksperiment. Hvis du passerer en enkelt foton gennem en krystal, får du den til at bevæge sig med en lille mængde.da fotoner kan indstilles i energi (kontinuerligt) og krystaller kan være meget massive sammenlignet med en fotons momentum, kunne vi registrere, om krystallen bevæger sig i diskrete “trin” eller kontinuerligt., Med lav nok energifotoner, hvis rummet er kvantiseret, ville krystallen enten flytte et enkelt kvantetrin eller slet ikke.
stoffet af rumtid, illustreret, med krusninger og deformationer på grund af masse. Men selv… selv om der er mange ting, der sker i dette rum, behøver det ikke at blive opdelt i individuelle kvanter selv.,
Europa-Gravitationel Observatorium, Lionel BRET/EUROLIOS
I øjeblikket, der er ingen måde at forudsige, hvad der kommer til at ske på afstand skalaer, der er mindre end omkring 10-35 meter, eller om tidsfrister, der er mindre end ca 10-43 sekunder. Disse værdier er fastsat af de grundlæggende konstanter, der styrer vores univers. I forbindelse med generel relativitet og kvantefysik kan vi ikke gå længere end disse grænser uden at få vrøvl ud af vores ligninger til gengæld for vores problemer.,
det kan endnu være tilfældet, at en kvanteteori om tyngdekraften vil afsløre egenskaber ved vores univers ud over disse grænser, eller at nogle grundlæggende paradigmeskift vedrørende RUM og tid kunne vise os en ny vej fremad. Hvis vi baserer vores beregninger på det, vi ved i dag, er der imidlertid ingen måde at gå under Planck-skalaen med hensyn til afstand eller tid. Der kan komme en revolution på denne front, men skiltene har endnu ikke vist os, hvor det vil ske.