Svart hull kan bli vår beste alternativet for å utforske quantum gravitasjonsfelt effekter, som plass veldig… nær den sentrale singularitet er der de effekter er forventet å være mest viktig. Imidlertid, under en viss avstand skala, er vi ikke i stand til å nøyaktig beskrive Universet, selv i teorien. Eksistensen av en minste avstand skala på hvilke lover som i dag gjør forstand er et puslespill ennå-å-være-løst for fysikere.

NASA/Ames Research Center/C., Henze

Hvis du ønsket å forstå hvordan Universet fungerer, du ville ha til å undersøke det på et grunnleggende nivå. Makroskopiske objekter består av partikler, som kan bare seg selv å bli oppdaget ved å gå til subatomære nivå. For å undersøke Universets egenskaper, må du se på den minste bestanddeler på den minste mulige skalaer. Bare ved å forstå hvordan de oppfører seg på denne grunnleggende nivå kan vi håpe å forstå hvordan de slutter seg sammen for å skape den menneskelige skala Universet vi er kjent med.,

Men du kan ikke ekstrapolere hva vi vet om selv de små-skala Universet til vilkårlig liten avstand skalaer. Hvis vi bestemmer oss for å gå ned til nedenfor om 10-35 meter — den Planck avstand skala — våre vanlige fysiske lover bare gi tull for svar. Her er historien om hvorfor, under en viss skala, kan vi ikke si noe fysisk meningsfylt.

Vi ofte visualisere plass som en 3D-nettet, selv om dette er en ramme avhengig overforenkling når… vi mener konseptet av romtid., Spørsmålet om rom og tid er diskret eller kontinuerlig, og om det er en minste mulige lengde skala, er fortsatt ubesvart. Vi vet imidlertid at under Planck avstand skala, kan vi ikke forutsi noe med noen nøyaktighet i det hele tatt.

ReunMedia / Storyblocks

Tenk deg, hvis du liker, en av de klassiske problemene i kvantefysikken: partikkel-i-en-boks. Tenk deg alle partikkel du liker, og tenk at det er liksom begrenset til et visst lite volum av plass., Nå, i dette quantum spill av peek-a-boo, vi kommer til å be den enkleste spørsmål du kan tenke: «hvor er denne partikkelen?»

Du kan gjøre en måling for å finne ut partikkels posisjon, og at målingen vil gi deg et svar. Men det vil være en iboende usikkerhet forbundet med at måling, hvor usikkerhet er forårsaket av quantum virkninger av natur.

Hvor stor er at usikkerhet? Det er knyttet til både ą og L, der ą er plancks konstant og L er størrelsen på boksen.,

Dette diagrammet illustrerer den iboende usikkerhet forholdet mellom posisjon og momentum. Når ett… er kjent mer nøyaktig, den andre er dypest sett er mindre i stand til å bli kjent nøyaktig.

Wikimedia Commons bruker Maschen

For de fleste av de forsøk vi utfører, plancks konstant er liten i forhold til eventuelle faktiske avstand skala vi er i stand til sondering, og så når vi undersøker den usikkerheten vi får — knyttet til både ą og L — vi får se en liten iboende usikkerhet.

Men hva hvis L er små?, Hva hvis L er så små at, i forhold til ą, er det relativt store eller enda mindre?

Dette er hvor du kan se problemet begynner å oppstå. Disse quantum korreksjoner som forekommer i naturen ikke bare oppstår fordi det er det viktigste, klassisk effekt, og så er det quantum korreksjoner av ordre ~ą at fremkomme. Det finnes rettelser av alle bestillinger: ~ą, ~ħ2, ~ħ3, og så videre., Det er en viss skala, kjent som Planck-lengde, der hvis du kommer, jo høyere-orden vilkår (som vi vanligvis ignorere) bli like viktig som, eller enda viktigere, quantum korrigeringer vi normalt gjelder.

energi nivåer og elektron wavefunctions som svarer til forskjellige stater innenfor hydrogen… atom, selv om konfigurasjonene er svært lik for alle atomer., Energinivået er quantized i multipler av plancks konstant, men den størrelser av orbitals og atomer er bestemt av bakken-stat energi og elektronets masse. Flere effekter som kan være subtile, men skift energi nivåer i målbare, kvantifiserbare moter. Merk at potensialet er opprettet av kjernen fungerer som en «boks» som begrenser elektronet er fysisk grad likner til partikkel-i-en-boks tanke-eksperiment.

PoorLeno Wikimedia Commons

Hva er kritisk lengde skala, da?, På Planck-skalaen ble først fremsatt av fysikeren Max Planck mer enn 100 år siden. Planck tok tre konstanter i naturen:

  1. G, gravitasjons konstant av Newtons og Einsteins teorier om gravitasjon,
  2. ą, plancks konstant, eller den grunnleggende quantum konstant i naturen, og
  3. c, lysets hastighet i vakuum,

og innså at du kan kombinere dem på ulike måter for å få en enkelt verdi for masse, en annen verdi for tid, og en annen verdi for avstand., Disse tre størrelsene er kjent som Planck-massen (som kommer ut til om lag 22 mikrogram), den Planck tid (rundt 10-43 sekund), og Planck-lengde (ca 10-35 meter). Hvis du putter en partikkel i en boks som er Planck-lengde eller mindre, er det usikkerheten i sin posisjon blir større enn størrelsen på boksen.

Hvis du begrense en partikkel til en plass, og prøv å måle dens egenskaper, vil det være perioder… effekter i forhold til plancks konstant og størrelsen på boksen., Hvis boksen er svært liten, under en viss skala, disse egenskapene bli umulig å beregne.

Andy Nguyen / UT-Medical School i Houston

Men det er mye mer til historien enn det. Tenk deg at du hadde en partikkel av en viss masse. Hvis du komprimert at massen ned i en liten nok volum, vil du få et svart hull, akkurat som du ville gjort for noen masse. Hvis du tok Planck-massen som er definert av en kombinasjon av de tre konstanter i form av √(ħc/G) — og stilte det spørsmålet, hva slags svar vil du få?,

Du vil finne at volumet du trengte så masse å okkupere ville være en sfære som Schwarzschild radius er dobbelt Planck-lengde. Hvis du blir spurt hvor lang tid det ville ta å krysse fra den ene enden av den svarte hullet til den andre, den tid er fire ganger Planck tid. Det er ingen tilfeldighet at disse mengdene er i slekt, og det er overraskende. Men hva kan være overraskende er hva det innebærer når du begynner å stille spørsmål om Universet på de små avstand og tidsskalaer.,

energien til et foton, avhenger av bølgelengden den har; lengre bølgelengde er lavere i energi og… kortere bølgelengder er høyere. Det er i prinsippet ingen grense for hvor kort bølgelengde kan være, men det er andre fysikk bekymringer som ikke kan ignoreres.

Wikimedia Commons bruker maxhurtz

for å kunne måle noe på Planck-skalaen, du hadde behov for en partikkel med tilstrekkelig høy energi på å undersøke det., Energien til en partikkel tilsvarer en bølgelengde (enten et foton bølgelengden for lys eller de Broglie bølgelengden for saken), og for å komme ned til Planck-lengder, trenger du en partikkel på Planck energi: ~1019 GeV, eller omtrent en kvadrillioner ganger større enn den maksimale LHC energi.

Hvis du hadde en partikkel som faktisk oppnådd som energi, sitt momentum ville være så stor at energi-momentum usikkerhet som vil gjøre at partikkelen umulig å skille fra et sort hull. Dette er virkelig den skala som vår fysiske lover bryte ned.,

Den simulerte forfall av et sort hull ikke bare resulterer i utslipp av stråling, men nedbrytning av… det sentrale i bane rundt masse som holder de fleste objekter stabil. Sorte hull er ikke statiske objekter, men heller endre seg over tid. For de lavest masse sorte hull, fordampning skjer raskest.

EUS Kommunisere Vitenskap

Når du undersøke situasjonen i større detalj, det blir bare verre., Hvis du begynner å tenke på quantum svingninger knyttet til plass (eller romtid) selv, vil du husker det er også en energi-time usikkerhet forhold. Jo mindre avstand skala, jo mindre den aktuelle tidsperioden, noe som innebærer en større energi usikkerhet.

På Planck avstand skala, dette innebærer utseendet av sorte hull og kvante-skala ormehull, som vi ikke kan undersøke. Hvis du har utført høyere energi kollisjoner, du vil bare skape større masse (og større) sort hull, som da ville fordampe via Hawking-stråling.,

En illustrasjon av begrepet quantum skum, hvor quantum svingninger er stort og variert… viktig på den minste av vekter. Den energien som ligger til plass svinger i store mengder på disse skalaene. Hvis du vil vise skalaer som er små nok, slik som nærmer seg Planck-skalaen, svingningene blir store nok til at de skaper sorte hull spontant.

NASA/CXC/M. Weiss

Du kan argumentere for at kanskje dette er grunnen til at vi trenger quantum gravity., At når du tar quantum regler vi vet og bruke dem til lov om gravitasjon vi vet, dette er rett og slett å markere en grunnleggende motsetninger mellom kvantefysikk og Generell Relativitetsteori. Men det er ikke så enkelt.

Energi er energi, og vi vet at det fører til plass til kurven. Hvis du starter forsøk på å utføre quantum field theory beregninger på eller i nærheten av Planck-skalaen, er du ikke lenger vet hva slags type rom og tid til å utføre beregninger. Selv i quantum electrodynamics eller quantum chromodynamics, kan vi behandle bakgrunnen romtid hvor disse partiklene eksisterer for å være flat., Selv rundt et svart hull, kan vi bruke en kjent romlige geometri. Men på disse ultra-intens energi, krumning av rommet er ukjent. Vi kan ikke beregne noe meningsfylt.

Quantum gravity prøver å kombinere Einsteins Generelle Relativitetsteorien med kvantemekanikken…. Quantum rettelser til klassisk tyngdekraften er visualisert som loop diagrammer, som vist her, i hvitt., Om plass eller tid) i seg selv er diskret eller kontinuerlig er ennå ikke bestemt seg, så er spørsmålet om tyngdekraften er quantized i det hele tatt, eller partikler, slik vi kjenner dem i dag, er grunnleggende eller ikke. Men hvis vi håper på en fundamental teori av alt, må det inneholde quantized felt.

SLAC National Accelerator Lab

På energier som er tilstrekkelig høy, eller (tilsvarende) i tilstrekkelig små avstander eller kort tid, er vår nåværende lovene i fysikk bryte ned., Bakgrunnen krumning av mellomrom som vi bruker til å utføre quantum beregninger er upålitelig, og usikkerheten forhold sikrer at våre usikkerheten er større i omfang enn alle prediksjon vi kan gjøre. Den fysikken som vi vet, ikke lenger kan brukes, og det er det vi mener når vi sier at «lovene i fysikk bryte ned.»

Men det kan være en vei ut av denne conundrum. Det er en idé som er blitt flytende rundt for lang tid siden Heisenberg, faktisk — som kan gi en løsning: kanskje det er et fundamentalt minimal lengde skala til plass selv.,

En representasjon av leilighet, tomt rom med uansett, energi eller krumning av noen type. Hvis denne plassen… er fundamentalt diskret, noe som betyr at det er en minimum lengde skala til Universet, bør vi være i stand til å designe et eksperiment som, i hvert fall i teorien, viser at atferden.

Amber Stuver, fra bloggen hennes, som Bor Ligo

selvfølgelig, et finitt, minimum lengde skala ville skape sitt eget sett av problemer., I Einsteins relativitetsteori, kan du sette ned en imaginær hersker, hvor som helst, og det ser ut til å forkorte basert på hastigheten du beveger deg i forhold til det. Hvis plass var diskret og hadde en minimum lengde skala, ulike observatører — det vil si, folk beveger seg i forskjellige hastigheter — nå skulle måle en annen grunnleggende lengde skala fra en annen!

Som sterkt antyder at det ville være en «privilegert» referanseramme, der én bestemt hastighet gjennom verdensrommet ville ha maksimal lengde, mens alle andre vil være kortere., Dette innebærer at noe som vi i dag synes er grunnleggende, som Lorentz invarians eller lokalitet, må være feil. På samme måte, discretized tid utgjør store problemer for Generell Relativitetsteori.

Denne illustrasjonen, av lys som passerer gjennom en anvendelse prisme og er delt i klart definert… farger, er hva som skjer når mange middels til høy energi fotoner finne en krystall. Hvis vi skulle sette dette opp med bare et enkelt foton, mengden crystal flyttet kunne være i en diskret antall romlig ‘trinnene.,’

Wikimedia Commons bruker Spigget

Likevel, det kan faktisk være en måte å teste om det er en minste lengde skala eller ikke. Tre år før han døde, fysiker Jakob Bekenstein fremsatt en god idé for et eksperiment. Hvis du passerer en enkelt foton gjennom en krystall, vil du få den til å flytte med en liten mengde.

Fordi fotoner kan være innstilt på energi (kontinuerlig) og krystaller kan være svært massiv i forhold til et foton er momentum, kan vi oppdage om crystal beveger seg i diskrete «trinn» eller kontinuerlig., Med lav-nok energi fotoner, hvis plassen er quantized, crystal enten ville flytte et enkelt quantum trinn eller ikke i det hele tatt.

stoffet av romtid, illustrert, med bølger og deformasjoner på grunn av masse. Imidlertid, selv… selv om det er mange ting som skjer i dette rommet, det trenger ikke å være delt opp i individuelle quanta seg selv.,

Europeiske Gravitasjonsfelt Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS

I dag, det er ingen måte å forutsi hva som kommer til å skje på avstand skalaer som er mindre enn om 10-35 meter, og heller ikke på tidsperioder som er mindre enn om 10-43 sekund. Disse verdiene er satt av fundamentale konstanter som regulerer vårt Univers. I sammenheng med Generell Relativitetsteori og kvantefysikk, kan vi komme lenger enn disse grensene uten å bli tull ut av våre ligninger i retur for våre problemer.,

Det kan likevel være tilfelle at en kvante-teori om gravitasjon vil avdekke egenskaper av vårt Univers utover disse grensene, eller at noen grunnleggende paradigme skift om naturen i tid og rom kunne vise oss en ny vei fremover. Hvis vi baserer våre beregninger på hva vi vet i dag, men det er ingen måte å gå under Planck-skalaen i form av avstand eller tid. Det kan være en revolusjon som kommer på denne fronten, men informasjonstavler har ennå til å vise oss hvor det vil oppstå.