les trous Noirs peuvent être la meilleure option pour explorer quantique effets gravitationnels, comme l’espace… c’est près de la singularité centrale que ces effets devraient être les plus importants. Cependant, en dessous d’une certaine échelle de distance, nous sommes incapables de décrire avec précision l’Univers, même en théorie. L’existence d’une plus petite échelle de distance à laquelle les lois de la physique ont actuellement un sens est un casse-tête à résoudre pour les physiciens.
NASA/Ames Research Center / C., Henze
Si vous voulais comprendre comment notre Univers fonctionne, vous devez l’examiner à un niveau fondamental. Les objets macroscopiques sont constitués de particules, qui ne peuvent être détectées qu’en passant à des échelles subatomiques. Pour examiner les propriétés de l’Univers, vous devez regarder les plus petits constituants sur les plus petites échelles possibles. Ce n’est qu’en comprenant comment ils se comportent à ce niveau fondamental que nous pouvons espérer comprendre comment ils s’unissent pour créer l’Univers à l’échelle humaine que nous connaissons.,
Mais vous ne pouvez pas extrapoler ce que nous savons même de l’Univers à petite échelle à des échelles de distance arbitrairement petites. Si nous décidons de descendre en dessous d’environ 10-35 mètres — l’échelle de distance de Planck — nos lois conventionnelles de la physique ne donnent qu’un non-sens pour des réponses. Voici l’histoire de pourquoi, en dessous d’une certaine échelle de longueur, nous ne pouvons rien dire physiquement significative.
Nous visualisons souvent l’espace comme une grille 3D, même s’il s’agit d’une simplification excessive dépendante du cadre lorsque… nous considérons que la notion d’espace-temps., La question de savoir si l’espace et le temps sont discrets ou continus, et s’il existe une échelle de longueur la plus petite possible, est toujours sans réponse. Cependant, nous savons qu’en dessous de l’échelle de distance de Planck, nous ne pouvons rien prédire avec aucune précision.
ReunMedia / Storyblocks
Imaginez, si vous le souhaitez, l’un des problèmes classiques de la physique quantique: le particle-in-a-box. Imaginez n’importe quelle particule que vous aimez, et imaginez qu’elle est en quelque sorte confinée à un certain petit volume d’espace., Maintenant, dans ce jeu quantique de peek-a-boo, nous allons poser la question la plus simple que vous puissiez imaginer: « où est cette particule? »
Vous pouvez faire une mesure pour déterminer la position de la particule, et cette mesure vous donnera une réponse. Mais il y aura une incertitude inhérente associée à cette mesure, où l’incertitude est causée par les effets quantiques de la nature.
Quelle est la taille de cette incertitude? Il est lié à la fois ħ et L, où ħ est la constante de Planck et L est la taille de la boîte.,
Ce diagramme illustre l’incertitude inhérente à la relation entre la position et de l’impulsion. Quand on… est connue avec plus de précision, l’autre est intrinsèquement moins apte à être connu avec précision.
Wikimedia Commons user Maschen
Pour la plupart des expériences que nous effectuons, la constante de Planck est petite par rapport à toute échelle de distance réelle que nous sommes capables de sonder, et donc lorsque nous examinons l’incertitude que nous obtenons — liée à la fois ħ et L — nous verrons une petite incertitude inhérente.
Mais que faire si L est petit?, Et si L est si petit que, par rapport à ħ, il est de taille comparable ou même plus petit?
C’est là que vous pouvez voir le problème commence à se poser. Ces corrections quantiques qui se produisent dans la nature ne surviennent pas simplement parce qu’il y a l’effet principal, classique, et puis il y a des corrections quantiques d’ordre ~that qui surviennent. Il y a des corrections de tous les ordres: ~ħ, ~ħ2, ~ħ3, et ainsi de suite., Il y a une certaine échelle de longueur, connue sous le nom de longueur de Planck, où si vous l’atteignez, les termes d’ordre supérieur (que nous ignorons généralement) deviennent tout aussi importants, voire plus importants que les corrections quantiques que nous appliquons normalement.
Les niveaux d’énergie et d’électrons wavefunctions, qui correspondent à différents états au sein de l’hydrogène… atome, bien que les configurations soient extrêmement similaires pour tous les atomes., Les niveaux d’énergie sont quantifiés en multiples de la constante de Planck, mais les tailles des orbitales et des atomes sont déterminées par l’énergie de l’état fondamental et la masse de l’électron. Des effets supplémentaires peuvent être subtils, mais déplacent les niveaux d’énergie de manière mesurable et quantifiable. Notez que le potentiel créé par le noyau agit comme une « boîte » qui limite l’étendue physique de l’électron, similaire à l’expérience de pensée particule dans une boîte.
PoorLeno de Wikimedia Commons
qu’est-Ce que l’échelle de longueur critique, alors?, L’échelle de Planck a été mise en avant par le physicien Max Planck il y a plus de 100 ans. Planck a pris les trois constantes de la nature:
- G, la constante gravitationnelle des théories de la gravité de Newton et d’Einstein,
- ħ, la constante de Planck, ou la constante quantique fondamentale de la nature, et
- c, la vitesse de la lumière dans le vide,
et a réalisé que vous pouviez les combiner de différentes manières pour obtenir une seule valeur pour la masse, une autre valeur pour le temps et une autre valeur pour la distance., Ces trois quantités sont connues sous le nom de masse de Planck (qui atteint environ 22 microgrammes), de temps de Planck (environ 10-43 secondes) et de longueur de Planck (environ 10-35 mètres). Si vous mettez une particule dans une boîte de la longueur de Planck ou plus petite, l’incertitude dans sa position devient supérieure à la taille de la boîte.
Si vous confiner une particule à un espace, et d’essayer de mesurer ses propriétés, il y aura quantique… effets proportionnelle à la constante de Planck et la taille de la boîte., Si la boîte est très petite, en dessous d’une certaine échelle de longueur, ces propriétés deviennent impossibles à calculer.
Andy Nguyen/UT-École de médecine à Houston
Mais il y a beaucoup plus dans l’histoire que cela. Imaginez que vous aviez une particule d’une certaine masse. Si vous compressiez cette masse en un volume assez petit, vous obtiendrez un trou noir, comme vous le feriez pour n’importe quelle masse. Si vous preniez la masse de Planck — qui est définie par la combinaison de ces trois constantes sous la forme de √(ħc / G) – et posiez cette question, quel genre de réponse obtiendriez-vous?,
Vous constateriez que le volume d’espace dont vous aviez besoin pour occuper cette masse serait une sphère dont le rayon de Schwarzschild est le double de la longueur de Planck. Si vous avez demandé combien de temps il faudrait pour traverser d’une extrémité du trou noir à l’autre, la durée est quatre fois le temps de Planck. Ce n’est pas un hasard si ces quantités sont liées; ce n’est pas surprenant. Mais ce qui pourrait être surprenant, c’est ce que cela implique lorsque vous commencez à poser des questions sur l’Univers à ces minuscules échelles de distance et de temps.,
L’énergie d’un photon dépend de la longueur d’onde qu’il a; plus la longueur d’onde est inférieure à l’énergie et… les longueurs d’onde plus courtes sont plus élevées. En principe, il n’y a pas de limite à la longueur d’onde courte, mais il y a d’autres problèmes de physique qui ne peuvent être ignorés.
Wikimedia Commons user maxhurtz
Pour mesurer quoi que ce soit à l’échelle de Planck, vous auriez besoin d’une particule avec une énergie suffisamment élevée pour la sonder., L’énergie d’une particule correspond à une longueur d’onde (soit une longueur d’onde de photon pour la lumière, soit une longueur d’onde de de Broglie pour la matière), et pour atteindre les longueurs de Planck, il faut une particule à l’énergie de Planck: ~1019 GeV, soit environ un quadrillion de fois plus grande que l’énergie maximale du LHC.
Si vous aviez une particule qui a réellement atteint cette énergie, son élan serait si grand que l’incertitude énergie-élan rendrait cette particule indiscernable d’un trou noir. C’est vraiment l’échelle à laquelle nos lois de la physique se décomposent.,
La simulation de décroissance d’un trou noir ne résulte pas uniquement dans l’émission de rayonnement, mais la désintégration de l’… la masse en orbite centrale qui maintient la plupart des objets stables. Les trous noirs ne sont pas des objets statiques, mais changent au fil du temps. Pour les trous noirs de plus faible masse, l’évaporation se produit le plus rapidement.
La science de la communication de l’UE
Lorsque vous examinez la situation plus en détail, cela ne fait qu’empirer., Si vous commencez à penser aux fluctuations quantiques inhérentes à l’espace (ou à l’espace-temps) lui-même, vous vous souviendrez qu’il existe également une relation d’incertitude énergie-temps. Plus l’échelle de distance est petite, plus l’échelle de temps correspondante est petite, ce qui implique une incertitude énergétique plus grande.
À l’échelle de Planck, cela implique l’apparition de trous noirs et de trous de ver à l’échelle quantique, que nous ne pouvons pas étudier. Si vous réalisiez des collisions à plus haute énergie, vous créeriez simplement des trous noirs de plus grande masse (et de plus grande taille), qui s’évaporeraient ensuite via le rayonnement de Hawking.,
Une illustration du concept de mousse quantique, où les fluctuations quantiques sont grandes, variées et… important sur la plus petite des échelles. L’énergie inhérente à l’espace fluctue en grandes quantités sur ces échelles. Si vous visualisez des échelles assez petites, telles que l’approche de l’échelle de Planck, les fluctuations deviennent suffisamment grandes pour créer spontanément des trous noirs.
NASA / CXC / M. Weiss
Vous pourriez soutenir que, peut-être, c’est pourquoi nous avons besoin de la gravité quantique., Que lorsque vous prenez les règles quantiques que nous connaissons et les appliquez à la loi de gravité que nous connaissons, cela met simplement en évidence une incompatibilité fondamentale entre la physique quantique et la Relativité générale. Mais il n’est pas si simple.
l’Énergie est l’énergie, et nous savons qu’il provoque l’espace à la courbe. Si vous commencez à essayer d’effectuer des calculs de théorie quantique des champs à l’échelle de Planck ou à proximité, vous ne savez plus dans quel type d’espace-temps effectuer vos calculs. Même en électrodynamique quantique ou en chromodynamique quantique, nous pouvons traiter l’espace-temps de fond où ces particules existent pour être plat., Même autour d’un trou noir, nous pouvons utiliser une géométrie spatiale connue. Mais à ces énergies ultra-intenses, la courbure de l’espace est inconnue. Nous ne pouvons rien calculer de significatif.
la gravité Quantique essaie de combiner Einstein, la théorie de la Relativité Générale avec la mécanique quantique…. Les corrections quantiques à la gravité classique sont visualisées sous forme de diagrammes en boucle, comme celui montré ici en blanc., Que l’espace (ou le temps) lui-même soit discret ou continu n’est pas encore décidé, tout comme la question de savoir si la gravité est quantifiée ou si les particules, telles que nous les connaissons aujourd’hui, sont fondamentales ou non. Mais si nous espérons une théorie fondamentale de tout, elle doit inclure des champs quantifiés.
SLAC National Accelerator Lab
À des énergies suffisamment élevées, ou (de manière équivalente) à des distances ou des temps suffisamment petits, nos lois actuelles de la physique se décomposent., La courbure de fond de l’espace que nous utilisons pour effectuer des calculs quantiques n’est pas fiable, et la relation d’incertitude garantit que notre incertitude est plus grande que toute prédiction que nous pouvons faire. La physique que nous connaissons ne peut plus être appliquée, et c’est ce que nous entendons quand nous disons que « les lois de la physique se décomposent. »
Mais il pourrait y avoir un moyen de sortir de cette énigme. Il y a une idée qui flotte depuis longtemps — depuis Heisenberg, en fait — qui pourrait fournir une solution: il y a peut-être une échelle de longueur fondamentalement minimale pour l’espace lui-même.,
Une représentation de l’espace plat et vide sans matière, énergie ou courbure de tout type. Si cet espace… est fondamentalement discret, ce qui signifie qu’il y a une échelle de longueur minimale à l’Univers, nous devrions être en mesure de concevoir une expérience qui, au moins en théorie, montre ce comportement.
Amber Stuver, de son blog, Living Ligo
Bien sûr, une échelle de longueur finie et minimale créerait son propre ensemble de problèmes., Dans la théorie de la relativité d’Einstein, vous pouvez poser une règle imaginaire, n’importe où, et elle semblera raccourcir en fonction de la vitesse à laquelle vous vous déplacez par rapport à elle. Si l’espace était discret et avait une échelle de longueur minimale, différents observateurs — c’est-à-dire des personnes se déplaçant à des vitesses différentes-mesureraient maintenant une échelle de longueur fondamentale différente les unes des autres!
Cela suggère fortement qu’il y aurait un cadre de référence « privilégié », où une vitesse particulière à travers l’espace aurait la longueur maximale possible, tandis que toutes les autres seraient plus courtes., Cela implique que quelque chose que nous pensons actuellement fondamental, comme l’invariance ou la localité de Lorentz, doit être faux. De même, le temps discrétisé pose de gros problèmes pour la Relativité générale.
Cette illustration, de la lumière passant à travers un prisme dispersif et en séparant clairement définis… couleurs, c’est ce qui se passe lorsque de nombreux photons d’énergie moyenne à élevée frappent un cristal. Si nous devions configurer cela avec un seul photon, la quantité déplacée par le cristal pourrait être en un nombre discret d’étapes spatiales.,’
Wikimedia Commons user Spigget
Néanmoins, il peut y avoir un moyen de tester s’il existe une échelle de longueur la plus petite ou non. Trois ans avant sa mort, le physicien Jacob Bekenstein a émis une brillante idée pour une expérience. Si vous passez un seul photon à travers un cristal, vous le ferez bouger légèrement.
Étant donné que les photons peuvent être réglés en énergie (en continu) et que les cristaux peuvent être très massifs par rapport à l’impulsion d’un photon, nous pourrions détecter si le cristal se déplace en « pas » discrets ou en continu., Avec des photons à faible énergie, si l’espace est quantifié, le cristal se déplacerait d’une seule étape quantique ou pas du tout.
Le tissu de l’espace-temps, illustré, avec des ondulations et des déformations dues à la masse. Cependant, même… bien qu’il se passe beaucoup de choses dans cet espace, il n’a pas besoin d’être divisé en quanta individuels lui-même.,
European Gravitational Observatory, Lionel BRET / EUROLIOS
Actuellement, il n’y a aucun moyen de prédire ce qui va se passer sur des échelles de distance inférieures à environ 10-35 mètres, ni sur des échelles de temps inférieures à environ 10-43 secondes. Ces valeurs sont fixées par les constantes fondamentales qui régissent notre Univers. Dans le contexte de la Relativité générale et de la physique quantique, nous ne pouvons pas aller plus loin que ces limites sans sortir des absurdités de nos équations en échange de nos problèmes.,
Il se peut encore qu’une théorie quantique de la gravité révèle des propriétés de notre Univers au-delà de ces limites, ou que certains changements de paradigme fondamentaux concernant la nature de l’espace et du temps pourraient nous montrer une nouvelle voie à suivre. Si nous basons nos calculs sur ce que nous savons aujourd’hui, cependant, il n’y a aucun moyen d’aller en dessous de l’échelle de Planck en termes de distance ou de temps. Il y a peut-être une révolution à venir sur ce front, mais les panneaux ne nous montrent pas encore où elle se produira.