Mustia aukkoja saattaa olla paras vaihtoehto tutkia quantum painovoiman vaikutuksia, koska tilaa hyvin… lähellä keskeistä singulariteettia on, missä näiden vaikutusten odotetaan olevan tärkeimpiä. Tietyn etäisyysasteikon alapuolella emme kuitenkaan pysty kuvaamaan maailmankaikkeutta tarkasti edes teoriassa. Pienimmän etäisyysasteikon olemassaolo, jossa fysiikan lait ovat tällä hetkellä järkeviä, on fyysikoille vielä ratkaistava arvoitus.
NASA / Ames Research Center / C., Henze
Jos halusi ymmärtää, miten universumimme toimii, sitä piti tutkia perustasolla. Makroskooppiset kappaleet koostuvat hiukkasista, jotka voidaan havaita vain itsestään menemällä subatomisiin asteikkoihin. Tutkiaksesi maailmankaikkeuden ominaisuuksia sinun täytyy tarkastella pienimpiä rakenneosia pienimmillä mahdollisilla asteikoilla. Vain ymmärtämällä, miten he käyttäytyvät tällä perustasolla voimme ymmärtää, miten ne yhdessä luoda ihmisen mittakaavan Maailmankaikkeus olemme tuttuja.,
mutta et voi ekstrapoloida sitä, mitä tiedämme pienimuotoisestakin universumista mielivaltaisen pieniin etäisyysasteikkoihin. Jos päätämme mennä alas alla noin 10-35 metriä — Planck etäisyys scale — meidän perinteiset fysiikan lait vain antaa hölynpölyä vastauksia. Tässä on tarina siitä, miksi, alle tietyn mittakaavassa, emme voi sanoa mitään fyysisesti mielekästä.
Me usein visualisoida avaruuden 3D-verkkoon, vaikka tämä on runko-riippuvainen yksinkertaistus, kun… ajattelemme avaruusajan käsitettä., Kysymykseen siitä, ovatko avaruus ja aika erillisiä vai jatkuvia, ja onko olemassa pienintä mahdollista pituusasteikkoa, ei ole vielä vastausta. Tiedämme kuitenkin, että Planckin etäisyysasteikon alapuolella emme voi ennustaa mitään millään tarkkuudella.
ReunMedia / Storyblocks
Kuvittele, jos haluat, yksi klassisen ongelmia kvanttifysiikan: partikkeli-in-a-box. Kuvittele, mistä tahansa hiukkasesta pidät, ja kuvittele, että se on jotenkin rajoittunut tiettyyn pieneen tilavuuteen tilaa., Nyt, tässä kvantti-peli peek-a-boo, aiomme kysyä kaikkein yksinkertainen kysymys, mitä voi kuvitella: ”missä on tämä hiukkanen?”
Voit tehdä mittaus määrittää partikkelin asema, ja että mittaus antaa sinulle vastauksen. Mittaukseen liittyy kuitenkin luontainen epävarmuus, jossa epävarmuus johtuu luonnon kvanttivaikutuksista.
kuinka suuri tuo epävarmuus on? Se liittyy sekä makuun että L: ään, jossa γ on Planckin vakio ja L on laatikon koko.,
Tämä kaavio osoittaa luontainen epävarmuus välinen suhde kantaa ja vauhtia. Kun yksi… tunnetaan tarkemmin, toinen on luonnostaan vähemmän pystyttävä tuntemaan tarkasti.
Wikimedia Commons-käyttäjä Maschen
useimmille kokeiluja teemme, Planckin vakio on pieni verrattuna mihin tahansa todellinen etäisyys mittakaavassa pystymme hyvää, ja niin kun me tutkia epävarmuus saamme liittyvät sekä ħ-ja L — näemme pieni luontainen epävarmuus.
mutta entä jos L on pieni?, Entä jos l on niin pieni, että suhteutettuna siihen se on joko vertailukokoinen tai jopa pienempi?
tässä näet ongelman alkavan syntyä. Nämä kvantti-korjaukset, jotka tapahtuvat luonnossa ei yksinkertaisesti synny, koska siellä on tärkein, klassinen vaikutus, ja sitten on quantum korjaukset, jotta ~ħ, jotka syntyvät. On oikaisuja kaikista tilauksista: ~ ħ, ~ ħ2, ~ ħ3, ja niin edelleen., Siellä on tietty pituus mittakaavassa, joka tunnetaan nimellä Planckin pituus, jos sinulla saavuttaa se, että korkeamman asteen termejä (joka meillä on tapana sivuuttaa) tullut yhtä tärkeää, tai jopa tärkeämpää kuin se, quantum korjauksia emme normaalisti käytä.
energian tasoilla ja electron wavefunctions, jotka vastaavat eri valtioiden sisällä vetyä… atomi, vaikka kokoonpanot ovat erittäin samanlaisia kaikille atomeille., Energiatasot kvantitoituvat Planckin vakion kerrannaisina, mutta orbitaalien ja atomien koot määräytyvät maa-ja elektronien massan mukaan. Muita vaikutuksia voivat olla hiuksenhieno, mutta siirtää energian tasoilla mitattavissa, mitattavissa muodista. Huomaa, että ytimen luoma potentiaali toimii kuin ”laatikko”, joka rajoittaa elektronin fyysisen laajuuden, joka on samanlainen kuin particle-in-a-box-ajatuskoe.
PoorLeno Wikimedia Commonsista
mikä sitten on se kriittinen pituusasteikko?, Planck-asteikon esitti ensimmäisenä fyysikko Max Planck yli 100 vuotta sitten. Planck otti kolme vakiot luonto:
- G gravitaatiovakio Newtonin ja Einsteinin teorian painovoima,
- ħ, Planckin vakio, tai perustavanlaatuinen quantum jatkuva luonne, ja
- c, valon nopeus tyhjiössä,
ja tajusi, että voit yhdistellä niitä eri tapoja saada yksi arvo varten massa, toinen arvo aikaa, ja toinen-arvo etäisyys., Nämä kolme määrät tunnetaan Planckin massa (joka tulee ulos noin 22 mikrogrammaa), Planckin aika (noin 10-43 sekuntia), ja Planckin pituus (noin 10-35 metriä). Jos panet hiukkasen laatikkoon, joka on Planckin pituinen tai pienempi, epävarmuus sen asennosta kasvaa laatikon kokoa suuremmaksi.
Jos rajoittaa hiukkasen tilaa, ja yritä mitata sen ominaisuuksia, on kvantti… vaikutukset verrannollinen Planckin vakio ja koko laatikko., Jos laatikko on hyvin pieni, tietyn pituusasteikon alapuolella, näitä ominaisuuksia on mahdotonta laskea.
Andy Nguyen/UT-Medical School at Houston
, mutta tarinassa on paljon muutakin. Kuvittele, että sinulla oli hiukkanen tiettyä massaa. Jos massat puristettaisiin tarpeeksi pieneksi, – saisit mustan aukon, aivan kuten minkä tahansa massan. Jos olet ottanut Planckin massa, joka on määritelty näiden kolmen vakiot muodossa √(ħc/G) — – ja pyysi, että kysymys, millainen vastaus olisi saat?,
huomaat, että tarvittava avaruuden tilavuus miehittämiseen olisi pallo, jonka Schwarzschildin säde on kaksinkertainen Planckin pituuteen nähden. Jos kysyt, kuinka kauan kestää ylittää mustan aukon toisesta päästä toiseen, aika on neljä kertaa Planckin aikaa. Ei ole sattumaa, että nämä määrät liittyvät toisiinsa. Mutta mikä voi olla yllättävää on, mitä se merkitsee, kun alkaa kysyä kysymyksiä Maailmankaikkeuden niitä pieniä etäisyys-ja aika-asteikot.,
energiaa fotonin riippuu aallonpituudesta se on; pidempi aallonpituus on pienempi energia-ja… lyhyemmät aallonpituudet ovat korkeampia. Periaatteessa ei ole mitään rajaa sille, kuinka lyhyt aallonpituus voi olla, mutta on muitakin fysiikan huolenaiheita, joita ei voi sivuuttaa.
Wikimedia Commons-käyttäjä maxhurtz
jotta voidaan mitata mitä tahansa Planckin mittakaavassa, että tarvitset hiukkanen, jolla on riittävän suuri energia, jotta koetin sitä., Energia hiukkanen vastaa aallonpituus (joko fotonin aallonpituus valon tai de Broglie aallonpituus sillä on väliä), ja saada alas Planck pituudet, tarvitset hiukkanen klo Planckin energia: ~1019 GeV, tai noin kvadriljoona kertaa suurempi kuin suurin LHC energiaa.
Jos sinulla on ollut hiukkanen, joka todella saavuttaa, että energiaa, sen vauhti olisi niin suuri, että energia-vauhtia epävarmuus tekisi, että hiukkanen voi erottaa musta aukko. Tämä on todella se mittakaava, jossa fysiikan lakimme hajoavat.,
simuloitu hajoaminen musta aukko, ei vain johtaa päästöjen säteilyn, mutta rappeutuminen… keskimmäinen kiertävä massa, joka pitää useimmat kohteet vakaina. Mustat aukot eivät ole staattisia esineitä, vaan muuttuvat ajan myötä. Alin-massa mustia aukkoja, haihtuminen tapahtuu nopeimmin.
EU: n on Toimitettava Tiede
Kun tarkastellaan tilannetta tarkemmin, se vain pahenee., Jos alkaa miettiä kvantti vaihtelut luonnostaan tilaa (tai aika-avaruus) itse, sinun täytyy muistaa siellä on myös energia-aikaa epävarmuuden suhteen. Pienempi etäisyys mittakaavassa, pienempi vastaava ajassa, mikä merkitsee suurempaa energiaa epävarmuutta.
Planckin etäisyysasteikolla tämä tarkoittaa mustien aukkojen ja kvanttimittaisten madonreikien ilmaantumista, mitä emme voi tutkia. Jos tekisit suurenergisia törmäyksiä, loisit vain suuremman massan (ja suuremman koon) mustia aukkoja, jotka sitten haihtuisivat Hawking-säteilyn kautta.,
esimerkki käsite kvantti vaahto, jossa kvantti vaihtelut ovat suuria, monipuolinen, ja… tärkeää PIENIMMÄLLÄ asteikolla. Avaruudelle ominainen energia vaihtelee näissä asteikoissa suuria määriä. Jos tarkastelet asteikot, jotka ovat tarpeeksi pieniä, kuten lähestyy Planckin mittakaavassa, tapahtuvat tullut riittävän suuri, että ne luovat mustia aukkoja spontaanisti.
NASA/CXC/M. Weiss
saatat väittävät, että ehkä tämä on, miksi me tarvitsemme quantum gravity., Että kun otat quantum sääntöjä tiedämme ja soveltaa niitä painovoimalakia tiedämme, tämä on yksinkertaisesti korostamalla keskeinen yhteensopimattomuus kvanttifysiikka ja Yleinen Suhteellisuusteoria. Mutta se ei ole niin yksinkertaista.
energia on energiaa, ja tiedämme sen aiheuttavan avaruuden käyristymistä. Jos aloitat yrittää suorittaa kvanttikenttäteoria laskelmat tai lähellä Planckin mittakaavassa, et enää tiedä, millaista aika-avaruus suorittaa laskelmat. Jopa kvanttisähködynamiikassa tai kvanttikromodynamiikassa voidaan käsitellä taustaväliä, jossa nämä hiukkaset ovat olemassa, tasaiseksi., Jopa mustan aukon ympärillä Voimme käyttää tunnettua paikkatietogeometriaa. Mutta näissä erittäin voimakkaissa energiamuodoissa avaruuden kaarevuutta ei tunneta. Emme voi laskea mitään mielekästä.
kvanttigravitaatio yrittää yhdistää Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kvanttimekaniikkaan…. Kvanttikorjaukset klassiseen gravitaatioon visualisoidaan silmukkakaavioina, kuten tässä valkoisena esitetty., Se, onko avaruus (tai aika) itsessään diskreetti vai jatkuva, ei ole vielä päätetty, samoin kuin kysymys siitä, onko gravitaatio kvantisoitu lainkaan, tai hiukkaset, kuten tunnemme ne nykyään, ovat olennaisia vai eivät. Mutta jos toivomme perustavanlaatuista teoriaa kaikesta, siihen on sisällyttävä kvantisoituja kenttiä.
SLAC National Accelerator Lab
Klo energioita, jotka ovat riittävän suuria, tai (vastaavasti) riittävän pieniä matkoja tai lyhyitä aikoja, meidän nykyinen fysiikan lakeja rikkoa alas., Taustan kaarevuus tilaa, että käytämme tehdä quantum laskelmat on epäluotettava, ja epävarmuus suhteessa varmistetaan, että epävarmuus on suurempaa suuruusluokkaa kuin mikään ennustus voimme tehdä. Tuntemaamme fysiikkaa ei voida enää soveltaa, ja sitä me tarkoitamme sanoessamme, että ”fysiikan lait hajoavat.”
mutta tästä arvoituksesta saattaa olla ulospääsy. On olemassa ajatus, joka on kellunut pitkään-koska Heisenberg, oikeastaan-joka voisi tarjota ratkaisun: ehkä on pohjimmiltaan minimaalinen pituus mittakaavassa tilaa itse.,
– edustus tasainen, tyhjä tila, jossa ei ole materiaa, energiaa tai kaarevuus tahansa. Jos tämä tila… on pohjimmiltaan diskreetti, eli maailmankaikkeudessa on minimipituusasteikko, meidän pitäisi pystyä suunnittelemaan kokeilu, joka ainakin teoriassa osoittaa, että käyttäytyminen.
Amber Stuver, hänen blogi, Elävä Ligo
tietenkin, on rajallinen, minimi pituus mittakaavassa aiheuttaisi omat ongelmansa., Einsteinin suhteellisuusteoriassa kuvitteellisen viivoittimen voi laskea minne tahansa, ja se näyttää lyhenevän sen mukaan, millä nopeudella liikut suhteessa siihen. Jos tilaa olivat erillisiä ja oli pituudeltaan vähintään mittakaavassa, eri tarkkailijat — eli ihmiset liikkuvat eri nopeuksilla — olisi nyt mitata eri perusoikeuksien pituus asteikolla yhdestä toiseen!
viittaa vahvasti siihen, Että siellä olisi ”etuoikeutettu” viitekehys, jossa yhden tietyn nopeuden kautta tilaa olisi mahdollisimman pitkä, kun taas kaikki muut olisi lyhyempi., Tämä merkitsee sitä, että jotain, että tällä hetkellä mielestämme on perustavanlaatuinen, kuten Lorentz invariance tai paikkakunta, on oltava väärässä. Vastaavasti hienovarainen aika aiheuttaa suuria ongelmia yleiselle suhteellisuusteorialle.
Tämä kuva, valo kulkee läpi dispersiivinen prisma ja erottaa selkeästi määritelty… värit, on mitä tapahtuu, kun monet keskienergiset fotonit iskevät kiteeseen. Jos tämä perustettaisiin vain yhdellä fotonilla, kristallin liikuttama määrä voisi olla diskreetti määrä spatiaalisia ” vaiheita.,’
Wikimedia Commons-käyttäjä Spigget
Vielä, siellä voi olla tapa testata, onko pienin pituus mittakaavassa vai ei. Kolme vuotta ennen kuolemaansa fyysikko Jacob Bekenstein esitti nerokkaan idean kokeeseen. Jos ohitat yhden fotonin kristallin läpi, saat sen liikkumaan hieman.
Koska fotonit voidaan viritetty energiaa (jatkuvasti) ja kiteet voivat olla hyvin massiivinen verrattuna fotoni on vauhtia, voisimme havaita, onko kristalli liikkuu diskreetti ”vaiheet” tai jatkuvasti., Matalan tarpeeksi energiaa fotonit, jos avaruus on kvantittunut, kristalli olisi joko siirtää yhden quantum askel tai ei ollenkaan.
kangas aika-avaruus, kuvitettu, väreitä ja muodonmuutokset johtuvat massa. Kuitenkin jopa… vaikka tässä tilassa tapahtuu paljon, sitä ei tarvitse pilkkoa yksittäiseksi quantaksi itsekseen.,
Euroopan Painovoiman Observatorio, Lionel BRET/EUROLIOS
Tällä hetkellä ei ole mitään keinoa ennustaa, mitä tulee tapahtumaan etäisyys asteikot, jotka ovat pienempiä kuin noin 10-35 metriä, eikä aikatauluja, jotka ovat pienempiä kuin noin 10-43 sekuntia. Nämä arvot ovat Universumiamme hallitsevien perusvakioiden asettamia. Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhteydessä emme voi mennä pidemmälle kuin nämä rajat ilman, että saamme hölynpölyä yhtälöistämme vastapalvelukseksi ongelmistamme.,
saattaa vielä olla niin, että kvanttiteoria gravitaatiosta paljastaa universumimme ominaisuuksia näiden rajojen yli, tai että jotkin avaruuden ja ajan luonnetta koskevat perustavanlaatuiset paradigman muutokset voisivat näyttää meille uuden polun eteenpäin. Jos laskemme sen perusteella, mitä tiedämme tänään, ei ole mitään keinoa mennä Planckin asteikon alapuolelle etäisyyden tai ajan suhteen. Edessä voi olla vallankumous, mutta opasteet eivät ole vielä näyttäneet, missä se tapahtuu.