a fekete lyukak lehetnek a legjobb lehetőségünk a kvantum gravitációs hatások feltárására,mivel a tér nagyon… közel a központi szingularitás, ahol ezek a hatások várhatóan a legfontosabb. Azonban egy bizonyos távolságskála alatt nem tudjuk pontosan leírni az univerzumot, még elméletben sem. A legkisebb távolságskála létezése, amelyen a fizika törvényei jelenleg értelmesek, a fizikusok számára még megoldandó puzzle.
NASA / Ames Research Center / C., Henze
Ha meg akarta érteni, hogyan működik az univerzumunk, alapvető szinten kell megvizsgálnia. A makroszkopikus tárgyak részecskékből állnak, amelyeket csak a szubatomi mérlegek segítségével lehet kimutatni. Az univerzum tulajdonságainak vizsgálatához a lehető legkisebb skálán kell megvizsgálnia a legkisebb alkotórészeket. Csak azáltal, hogy megértjük, hogyan viselkednek ezen az alapvető szinten, reméljük, hogy megértjük, hogyan csatlakoznak egymáshoz, hogy létrehozzuk az általunk ismert emberi méretű univerzumot.,
de nem lehet extrapolálni azt, amit még a kis méretű univerzumról is tudunk önkényesen kis távolságmérlegekre. Ha úgy döntünk, hogy körülbelül 10-35 méter alá megyünk-a Planck távolságmérete – a hagyományos fizikai törvényeink csak ostobaságot adnak a válaszokhoz. Itt van a történet arról, hogy miért, egy bizonyos hosszúság alatt, nem mondhatunk semmit fizikailag értelmes.
gyakran ábrázoljuk a helyet 3D rácsként, annak ellenére, hogy ez egy keretfüggő túlméretezés, amikor… figyelembe vesszük a téridő fogalmát., A kérdés, hogy a tér és az idő diszkrét vagy folytonos-e, és van-e a lehető legkisebb hosszskála, még mindig megválaszolatlan. Tudjuk azonban, hogy a Planck távolságskála alatt egyáltalán nem tudunk megjósolni semmit pontossággal.
ReunMedia / Storyblocks
Képzeld el, ha úgy tetszik, a kvantumfizika egyik klasszikus problémája: a részecske-in-a-box. Képzelj el minden részecskét, amit szeretsz, és képzeljétek el, hogy ez valahogy egy bizonyos kis űrmennyiségre korlátozódik., Most, ebben a Quantum játék peek-A-boo, fogunk kérni a legegyszerűbb kérdés, amit el lehet képzelni: “hol van ez a részecske?”
mérést végezhet a részecske helyzetének meghatározására, és ez a mérés választ ad. De a méréshez kapcsolódó inherens bizonytalanság lesz, ahol a bizonytalanságot a természet kvantumhatásai okozzák.
mekkora ez a bizonytalanság? Ez mind a H-hoz, mind az L-hez kapcsolódik, ahol a H-t Planck állandója, L pedig a doboz mérete.,
Ez az ábra szemlélteti a pozíció és a lendület közötti inherens bizonytalansági viszonyt. Amikor egy… pontosabban ismert, a másik eredendően kevésbé képes pontosan ismerni. Wikimédia Commons felhasználó Maschen
a legtöbb kísérleteket végzünk, Planck-állandó, kisebb, mint bármilyen tényleges távolság skála vagyunk képesek tapintó, így ha megvizsgáljuk a bizonytalanság kapunk kapcsolatos, hogy mindkét ħ s L — majd meglátjuk, egy kis rejlő bizonytalanság.
de mi van, ha l kicsi?, Mi van, ha L olyan kicsi, hogy vagy összehasonlíthatóan, vagy még kisebb?
itt láthatja a probléma felmerülését. Ezek a kvantumkorrekciók, amelyek a természetben fordulnak elő, nem egyszerűen azért merülnek fel, mert ott van a fő, klasszikus hatás,majd ott vannak a rend kvantumkorrekciói. Minden rend korrekciói vannak: ~ ħ, ~ ħ2, ~ ħ3, és így tovább., Van egy bizonyos hosszúsági skála, a Planck hossza, ahol ha eléri, a magasabb rendű kifejezések (amelyeket általában figyelmen kívül hagyunk) ugyanolyan fontosak lesznek, vagy még fontosabbak, mint a kvantumkorrekciókat, amelyeket általában alkalmazunk.
a hidrogén különböző állapotainak megfelelő energiaszintek és elektronhullámok… atom, bár a konfigurációk rendkívül hasonlóak az összes atomhoz., Az energiaszinteket a Planck konstansának többszörösében kvantálják, de a pályák és atomok méretét a föld-állam energia és az elektron tömege határozza meg. A további hatások finomak lehetnek, de az energiaszinteket mérhető, számszerűsíthető módon változtatják meg. Vegye figyelembe, hogy a mag által létrehozott potenciál úgy működik, mint egy “doboz”, amely korlátozza az elektron fizikai mértékét, hasonlóan a részecske-in-a-box gondolatkísérlethez.
PoorLeno of Wikimedia Commons
mi az a kritikus hosszúságú skála?, A Planck-skálát először Max Planck fizikus adta ki több mint 100 évvel ezelőtt. Planck vitte el a három természeti állandók:
- G a gravitációs állandó, Newton pedig Einstein elméletét a gravitáció,
- ħ, Planck-állandó, vagy az alapvető kvantum-állandó-a természet
- c a fény sebessége vákuumban,
aztán rájöttem, hogy lehet kombinálni őket különböző módon, hogy egyetlen értéket a tömeg, egy másik idő értékét, valamint egy másik érték a távolság., Ezt a három mennyiséget Planck tömegnek nevezik (ami körülbelül 22 mikrogramm), a Planck idő (körülbelül 10-43 másodperc), valamint a Planck hossza (körülbelül 10-35 méter). Ha egy részecskét egy olyan dobozba helyez, amely a Planck hossza vagy kisebb, akkor a helyzet bizonytalansága nagyobb lesz, mint a doboz mérete.
Ha egy részecske egy térre korlátozódik, és megpróbálja megmérni annak tulajdonságait, akkor kvantum lesz… a Planck állandójával és a doboz méretével arányos hatások., Ha a doboz nagyon kicsi, egy bizonyos hosszúsági skála alatt ezek a tulajdonságok lehetetlenné válnak.
Andy Nguyen / UT-Medical School at Houston
de ennél sokkal több van a történetben. Képzeld el, hogy volt egy részecske egy bizonyos tömeg. Ha ezt a tömeget elég kis térfogatra tömörítenéd, fekete lyukat kapnál, mint bármilyen tömegnél. Ha megragadnád a Planck — tömeget-amelyet e három konstans kombinációja határoz meg √(μ / g) formában—, és feltennéd ezt a kérdést, milyen választ kapnál?,
azt tapasztalnánk, hogy a tömeg elfoglalásához szükséges tér térfogata olyan gömb lenne, amelynek Schwarzschild sugara kétszerese a Planck hosszának. Ha azt kérdezi, hogy mennyi ideig tart a fekete lyuk egyik végétől a másikig keresztezni, az idő hossza a Planck idő négyszerese. Nem véletlen, hogy ezek a mennyiségek összefüggenek; ez nem meglepő. De ami meglepő lehet, az az, hogy mire utal, amikor elkezdesz kérdéseket feltenni az univerzumról az apró távolságokon és időméretekben.,
egy foton energiája attól függ, hogy milyen hullámhosszúságú; a hosszabb hullámhossz alacsonyabb az energiában és… a rövidebb hullámhosszak magasabbak. Elvileg nincs korlátozás arra, hogy milyen rövid lehet a hullámhossz, de vannak más fizikai aggályok is, amelyeket nem lehet figyelmen kívül hagyni.
Wikimedia Commons felhasználó maxhurtz
annak érdekében, hogy bármit is mérjen a Planck skálán, elegendő nagy energiájú részecskére lenne szüksége ahhoz, hogy megvizsgálhassa., Az energia egy részecske felel meg a hullámhossz (vagy egy foton hullámhossza a fény, vagy a de Broglie-hullámhossz az ügyben), majd le a földre, hogy a Planck-hossz, kell egy részecske, a Planck-energia: ~1019 GeV, vagyis körülbelül egy kvadrillió-szor nagyobb, mint az LHC maximális energia.
Ha lenne egy részecske, amely ténylegesen elérte ezt az energiát, akkor a lendülete olyan nagy lenne, hogy az energia-lendület bizonytalansága megkülönböztethetetlenné tenné ezt a részecskét egy fekete lyuktól. Ez valóban a skála, amelyen a fizika törvényei lebontják.,
a fekete lyuk szimulált bomlása nemcsak a sugárzás kibocsátását eredményezi, hanem az bomlását is… a központi keringő tömeg, amely a legtöbb tárgyat stabilan tartja. A fekete lyukak nem statikus tárgyak, hanem idővel változnak. A legalacsonyabb tömegű fekete lyukak esetében a párolgás a leggyorsabb.
az EU kommunikációs tudománya
amikor részletesebben megvizsgálja a helyzetet, csak rosszabbodik., Ha elkezd gondolkodni kvantum ingadozások rejlő tér (vagy téridő) is, akkor emlékezni van még egy energia-idő bizonytalanság kapcsolatban. Minél kisebb a távolság skála, annál kisebb a megfelelő időskála, ami nagyobb energiabiztonságot jelent.
a Planck távolságskálán ez fekete lyukak és kvantumméretes féreglyukak megjelenését jelenti,amelyeket nem vizsgálhatunk. Ha nagyobb energiájú ütközéseket hajtana végre, akkor egyszerűen nagyobb tömegű (és nagyobb méretű) fekete lyukakat hozna létre, amelyek a Hawking-sugárzás révén elpárolognának.,
a kvantumhab fogalmának illusztrációja, ahol a kvantum ingadozások nagyok, változatosak és… fontos a legkisebb skálán. A térhez tartozó energia nagy mennyiségben ingadozik ezeken a skálákon. Ha elég kicsi mérlegeket lát, például megközelíti a Planck skálát, az ingadozások elég nagyok ahhoz, hogy spontán módon fekete lyukakat hozzanak létre.
NASA / CXC / M. Weiss
azt állíthatja, hogy talán ezért van szükségünk kvantum gravitációra., Ha figyelembe vesszük a kvantumszabályokat, amelyeket ismerünk és alkalmazunk a gravitáció törvényére, ez egyszerűen kiemeli a kvantumfizika és az általános relativitáselmélet közötti alapvető összeférhetetlenséget. De ez nem olyan egyszerű.
az energia Energia, és tudjuk, hogy a tér görbülését okozza. Ha elkezdi a kvantumtérelméleti számítások elvégzését a Planck-skálán vagy annak közelében, akkor már nem tudja, hogy milyen típusú téridőben végezze el a számításokat. Még a kvantum-elektrodinamikában vagy a kvantum-kromodinamikában is kezelhetjük a háttér-téridőt, ahol ezek a részecskék léteznek, hogy laposak legyenek., Még egy fekete lyuk körül is használhatunk egy ismert térbeli geometriát. De ezekben az ultra-intenzív energiákban a tér görbülete ismeretlen. Nem számíthatunk semmi értelmeset.
a kvantum gravitáció megpróbálja egyesíteni Einstein általános relativitáselméletét a kvantummechanikával…. A klasszikus gravitáció kvantumkorrekciói hurokdiagramokként jelennek meg, ahogy az itt fehérben látható., E tér (vagy időben) maga diszkrét vagy folytonos még nem döntött úgy, mint az a kérdés, hogy a gravitáció kvantált, vagy részecskék, mint tudjuk őket ma, alapvető, vagy nem. De ha mindent alapvető elméletben reménykedünk, akkor kvantált mezőket kell tartalmaznia.
SLAC National Accelerator Lab
olyan energiáknál, amelyek elég magasak, vagy (ekvivalensen) elég kis távolságokon vagy rövid idő alatt, jelenlegi fizikai törvényeink lebontják., A kvantumszámítások elvégzéséhez használt tér háttér görbülete megbízhatatlan, a bizonytalansági viszony pedig biztosítja, hogy a bizonytalanságunk nagyobb legyen, mint bármely előrejelzésünk. Az általunk ismert fizikát már nem lehet alkalmazni, ezt értjük, amikor azt mondjuk, hogy “a fizika törvényei lebomlanak.”
de lehet, hogy van kiút ebből a talányból. Van egy ötlet, amely már régóta lebegett-Heisenberg óta, valójában -, amely megoldást nyújthat: talán van egy alapvetően minimális hosszúságú skála a tér számára.,
lapos, üres tér ábrázolása bármilyen típusú energiával vagy görbülettel. Ha ez a hely… alapvetően diszkrét, ami azt jelenti, hogy van egy minimális hosszúságú skála az univerzumra, képesnek kell lennünk egy olyan kísérlet megtervezésére, amely legalább elméletileg megmutatja ezt a viselkedést.
Amber Stuver a blogjából, Living Ligo
természetesen egy véges, minimális hosszúságú skála saját problémakészletet hozna létre., Einstein relativitáselméletében bárhol letehet egy képzeletbeli vonalzót, és úgy tűnik, hogy az ahhoz viszonyított sebesség alapján lerövidül. Ha a tér diszkrét lenne, és minimális hosszúságú skálája lenne, a különböző megfigyelők — azaz a különböző sebességgel mozgó emberek-most egymástól eltérő alapvető hosszúságú skálát mérnének!
Ez erősen azt sugallja, hogy lenne egy” kiváltságos ” referenciakeret, ahol egy adott sebesség a térben a lehető legnagyobb hosszúságú lenne, míg az összes többi rövidebb lenne., Ez azt jelenti, hogy valami, amit jelenleg alapvető fontosságúnak tartunk, mint például a Lorentz invariance vagy a locality, tévesnek kell lennie. Hasonlóképpen, a diszkrétizált idő nagy problémákat vet fel az általános relativitáselmélet szempontjából.
Ez az ábra egy diszperzív prizmán áthaladó fényről szól, amely egyértelműen meghatározottá válik… színek, ez történik, amikor sok közepes-nagy energiájú foton ütközik egy kristályba. Ha ezt csak egyetlen fotonnal állítanánk be,akkor a kristály mozgása diszkrét számú térbeli lépésben lehet.,’
Wikimedia Commons user Spigget
mégis lehet, hogy van egy módja annak, hogy teszteljük, van-e egy legkisebb hosszúságú skála vagy sem. Három évvel a halála előtt Jacob Bekenstein fizikus ragyogó ötletet adott egy kísérlethez. Ha átad egy foton keresztül egy kristály, akkor okoz, hogy mozog egy kis mennyiségű.
mivel a fotonok energiába (folyamatosan) hangolhatók, a kristályok pedig nagyon masszívak lehetnek a foton lendületéhez képest, meg tudtuk állapítani, hogy a kristály diszkrét “lépésekben” vagy folyamatosan mozog-e., Alacsony energiájú fotonok esetén, ha a tér kvantálódik, a kristály egyetlen kvantumlépést mozgatna, vagy egyáltalán nem.
a téridő szövete, illusztrálva, tömeg miatt hullámokkal és deformációkkal. Azonban még… bár sok dolog történik ebben a térben, nem kell felosztani az egyes kvantumokra.,
Európai gravitációs Obszervatórium, Lionel BRET / EUROLIOS
jelenleg nincs mód megjósolni, hogy mi fog történni a körülbelül 10-35 méternél kisebb távolságméreteken, sem a körülbelül 10-43 másodpercnél kisebb időmérőkön. Ezeket az értékeket az univerzumunkat irányító alapvető állandók határozzák meg. Az általános relativitáselmélet és a kvantumfizika összefüggésében nem mehetünk tovább, mint ezek a határok anélkül, hogy ostobaságokat kapnánk egyenleteinkből a bajokért cserébe.,
előfordulhat, hogy a gravitációs kvantumelmélet felfedi univerzumunk tulajdonságait ezen határokon túl, vagy hogy a tér és az idő természetére vonatkozó alapvető paradigmaváltások új utat mutathatnak nekünk. Ha számításainkat arra alapozzuk, amit ma tudunk, akkor a távolság vagy az idő szempontjából nem lehet a Planck-skála alá menni. Lehet, hogy forradalom jön ezen a fronton, de a jelzőtáblák még nem mutatják meg, hol fog bekövetkezni.