zwarte gaten kunnen onze beste optie zijn voor het verkennen van kwantum gravitationele effecten, net als de ruimte… dicht bij de centrale singulariteit is waar deze effecten naar verwachting het belangrijkst zijn. Echter, onder een bepaalde afstand schaal, zijn we niet in staat om het universum nauwkeurig te beschrijven, zelfs niet in theorie. Het bestaan van een kleinste afstand schaal waarop de wetten van de natuurkunde momenteel zinvol is is een puzzel nog op te lossen voor fysici.NASA / Ames Research Center / C., Henze

als je wilt begrijpen hoe ons universum werkt, moet je het op een fundamenteel niveau onderzoeken. Macroscopische objecten bestaan uit deeltjes, die alleen zelf kunnen worden gedetecteerd door naar subatomaire schalen te gaan. Om de eigenschappen van het universum te onderzoeken, moet je kijken naar de kleinste bestanddelen op de kleinst mogelijke schalen. Alleen door te begrijpen hoe ze zich gedragen op dit fundamentele niveau kunnen we hopen te begrijpen hoe ze samenwerken om het universum op menselijke schaal te creëren dat we kennen.,

maar je kunt niet extrapoleren wat we weten over zelfs het kleinschalige universum naar willekeurig kleine afstandschalen. Als we besluiten om naar beneden te gaan tot onder ongeveer 10-35 meter — De Planck afstand Schaal-onze conventionele wetten van de fysica geven alleen onzin voor antwoorden. Hier is het verhaal waarom we, onder een bepaalde lengteschaal, niets fysiek betekenisvol kunnen zeggen.

we visualiseren de ruimte vaak als een 3D-raster, ook al is dit een frame-afhankelijke oversimplificatie wanneer… we beschouwen het concept van ruimtetijd., De vraag of ruimte en tijd discreet of continu zijn, en of er een kleinst mogelijke lengte schaal is, is nog steeds onbeantwoord. We weten echter wel dat we onder de schaal van Planck-afstand niets met enige nauwkeurigheid kunnen voorspellen.

ReunMedia / Storyblocks

stelt u zich eens een van de klassieke problemen van de kwantumfysica voor: het deeltje-in-een-doos. Stel je elk deeltje voor dat je wilt, en stel je voor dat het beperkt is tot een bepaald klein volume ruimte., In dit kwantumspel van peek-A-boo stellen we de meest eenvoudige vraag die je je kunt voorstellen: “waar is dit deeltje?”

u kunt een meting uitvoeren om de positie van het deeltje te bepalen, en die meting zal u een antwoord geven. Maar er zal een inherente onzekerheid verbonden zijn aan die meting, waar de onzekerheid wordt veroorzaakt door de kwantumeffecten van de natuur.

hoe groot is die onzekerheid? Het is gerelateerd aan ħ en L, waar ħ de constante van Planck is en L de grootte van de doos is.,

Dit diagram illustreert de inherente onzekerheidsrelatie tussen positie en momentum. Wanneer één… is nauwkeuriger bekend,de andere is inherent minder nauwkeurig te kennen.

Wikimedia Commons gebruiker Maschen

voor de meeste experimenten die we uitvoeren, is de constante van Planck klein in vergelijking met elke werkelijke afstand schaal die we kunnen onderzoeken, en dus als we de onzekerheid die we krijgen — gerelateerd aan zowel ħ En L — onderzoeken, zullen we een kleine inherente onzekerheid zien.

maar wat als L klein is?, Wat als L zo klein is dat het, ten opzichte van ħ, vergelijkbaar groot of zelfs kleiner is?

Dit is waar u kunt zien dat het probleem zich begint voor te doen. Deze kwantumcorrecties die in de natuur voorkomen ontstaan niet simpelweg omdat er het belangrijkste, klassieke effect is, en dan zijn er kwantumcorrecties van orde ~ħ die ontstaan. Er zijn correcties van alle orders: ~ ħ, ~ ħ2, ~ ħ3, enzovoort., Er is een bepaalde lengte schaal, bekend als De Planck lengte, waar als je het bereikt, de hogere-orde termen (die we meestal negeren) worden net zo belangrijk als, of zelfs belangrijker dan, de kwantumcorrecties die we normaal toepassen.

de energieniveaus en elektrongolffuncties die overeenkomen met verschillende toestanden binnen een waterstof… atoom, hoewel de configuraties zijn zeer vergelijkbaar voor alle atomen., De energieniveaus worden gekwantiseerd in veelvouden van Planck ‘ s constante, maar de grootte van de orbitalen en atomen worden bepaald door de grondtoestandenergie en de massa van het elektron. Bijkomende effecten kunnen subtiel zijn, maar verschuiven de energieniveaus in meetbare, kwantificeerbare modes. Merk op dat de potentiaal gecreëerd door de kern werkt als een ‘doos’ die de fysieke omvang van het elektron beperkt, vergelijkbaar met het deeltje-in-een-doos gedachte-experiment.

PoorLeno van Wikimedia Commons

Wat is dan die schaal voor kritische lengte?, De Planck-schaal werd meer dan 100 jaar geleden voor het eerst naar voren gebracht door fysicus Max Planck. Planck nam de drie constanten van de natuur:

  1. G, de zwaartekrachtconstante van Newton en Einstein ’s zwaartekrachttheorieën,
  2. ħ, Planck’ s constante, of de fundamentele kwantumconstante van de natuur, en
  3. c, de lichtsnelheid in een vacuüm,

en realiseerde zich dat je ze op verschillende manieren kon combineren om een enkele waarde voor massa, een andere waarde voor tijd en een andere waarde voor afstand te krijgen., Deze drie hoeveelheden staan bekend als De Planck-massa (die uitkomt op ongeveer 22 microgram), De Planck-tijd (ongeveer 10-43 seconden) en de Planck-lengte (ongeveer 10-35 meter). Als je een deeltje in een doos stopt dat de lengte van Planck of kleiner is, wordt de onzekerheid in zijn positie groter dan de grootte van de doos.

Als u een deeltje beperkt tot een ruimte en probeert de eigenschappen ervan te meten, zal er kwantum zijn… effecten evenredig met de constante van Planck en de grootte van de doos., Als de doos erg klein is, onder een bepaalde lengteschaal, worden deze eigenschappen onmogelijk te berekenen.

Andy Nguyen / UT-Medical School at Houston

maar er is veel meer aan de hand dan dat. Stel je voor dat je een deeltje van een bepaalde massa had. Als je die massa zou comprimeren tot een klein genoeg volume, zou je een zwart gat krijgen, net als bij elke massa. Als je de Planck-massa neemt — die wordt gedefinieerd door de combinatie van deze drie constanten in de vorm van √(ħc / G) – en die vraag stelt, wat voor antwoord zou je dan krijgen?,

je zou zien dat het volume van de ruimte die je nodig hebt om die massa te bezetten een bol zou zijn waarvan de schwarzschildradius het dubbele is van de lengte van Planck. Als je vraagt hoe lang het zou duren om van het ene uiteinde van het zwarte gat naar het andere over te steken, is de lengte van de tijd vier keer de Plancktijd. Het is geen toeval dat deze hoeveelheden gerelateerd zijn; dat is niet verrassend. Maar wat misschien verrassend is, is wat het inhoudt als je vragen begint te stellen over het universum op die kleine afstand en tijdschalen.,

de energie van een foton hangt af van de golflengte die het heeft; langere golflengte is lager in energie en… kortere golflengten zijn hoger. In principe is er geen limiet aan hoe kort een golflengte kan zijn, maar er zijn andere natuurkundige zorgen die niet kunnen worden genegeerd.

Wikimedia Commons gebruiker maxhurtz

om iets op de Planck schaal te meten, heb je een deeltje nodig met voldoende hoge energie om het te onderzoeken., De energie van een deeltje komt overeen met een golflengte (ofwel een foton golflengte voor licht of een de Broglie golflengte Voor materie), en om tot Planck lengtes te komen, heb je een deeltje nodig bij de Planck energie: ~1019 GeV, of ongeveer een biljard keer groter dan de maximale LHC energie.

als je een deeltje had dat daadwerkelijk die energie bereikte, zou zijn momentum zo groot zijn dat de energie-momentum onzekerheid dat deeltje niet te onderscheiden zou maken van een zwart gat. Dit is echt de schaal waarop onze wetten van de fysica breken.,

het gesimuleerde verval van een zwart gat resulteert niet alleen in de emissie van straling, maar ook in het verval van… de centrale omloopmassa die de meeste objecten stabiel houdt. Zwarte gaten zijn geen statische objecten, maar veranderen in de loop van de tijd. Voor de laagste massa zwarte gaten, verdamping gebeurt het snelst.

Communicate Science van de EU

wanneer u de situatie in meer detail onderzoekt, wordt het alleen maar erger., Als je begint na te denken over kwantumfluctuaties die inherent zijn aan de ruimte (of ruimtetijd) zelf, zul je je herinneren dat er ook een energie-tijd onzekerheid relatie is. Hoe kleiner de afstandschaal, hoe kleiner de bijbehorende tijdschaal, wat een grotere energieonzekerheid impliceert.

op de Planck-afstandschaal impliceert dit het verschijnen van zwarte gaten en wormgaten op kwantumschaal, die we niet kunnen onderzoeken. Als je botsingen met hogere energie zou uitvoeren, zou je gewoon grotere massa (en grotere grootte) zwarte gaten creëren, die dan zouden verdampen via Hawking straling.,

een illustratie van het concept van kwantumschuim, waarbij kwantumfluctuaties groot, gevarieerd en… belangrijk op de kleinste weegschaal. Energie eigen aan de ruimte fluctueert in ruime hoeveelheden op deze schalen. Als je schalen ziet die klein genoeg zijn, zoals het naderen van de Planck-schaal, worden de fluctuaties groot genoeg dat ze spontaan zwarte gaten creëren.

NASA/CXC/M. Weiss

u zou kunnen beweren dat dit misschien de reden is waarom we kwantumzwaartekracht nodig hebben., Als je de kwantumregels neemt die we kennen en ze toepast op de wet van de zwaartekracht die we kennen, dan is dit simpelweg het benadrukken van een fundamentele onverenigbaarheid tussen kwantumfysica en algemene relativiteit. Maar het is niet zo eenvoudig.

energie is energie, en we weten dat het ervoor zorgt dat de ruimte kromt. Als je probeert kwantumveldtheorie-berekeningen uit te voeren op of in de buurt van de Planck-schaal, Weet je niet meer in welk type ruimtetijd je je berekeningen moet uitvoeren. Zelfs in kwantumelektrodynamica of kwantumchromodynamica, kunnen we de achtergrond ruimtetijd waar deze deeltjes bestaan, behandelen als plat., Zelfs rond een zwart gat kunnen we een bekende ruimtelijke geometrie gebruiken. Maar bij deze ultra-intense energie is de kromming van de ruimte onbekend. We kunnen niets zinnigs berekenen.

kwantumzwaartekracht probeert Einsteins algemene relativiteitstheorie te combineren met de kwantummechanica…. Kwantumcorrecties op klassieke zwaartekracht worden gevisualiseerd als lusdiagrammen, zoals hier in het wit wordt getoond., Of de ruimte (of de tijd) zelf discrete of continue is, wordt nog niet bepaald, evenals de vraag of de zwaartekracht al dan niet gekwantiseerd is, of deeltjes, zoals we ze vandaag kennen, fundamenteel zijn of niet. Maar als we hopen op een fundamentele theorie van alles, moet het gekwantiseerde velden omvatten.

SLAC National Accelerator Lab

bij voldoende hoge energieën, of (gelijkwaardig) op voldoende kleine afstanden of korte tijden, breken onze huidige natuurwetten af., De achtergrondkromming van de ruimte die we gebruiken om kwantumberekeningen uit te voeren is onbetrouwbaar, en de onzekerheidsrelatie zorgt ervoor dat onze onzekerheid groter is in omvang dan enige voorspelling die we kunnen maken. De fysica die we kennen kan niet langer worden toegepast, en dat is wat we bedoelen als we zeggen dat ” de wetten van de fysica breken.”

maar er zou een uitweg kunnen zijn uit dit raadsel. Er is een idee dat al heel lang rondzwerft — sinds Heisenberg, eigenlijk — dat een oplossing kan bieden: misschien is er een fundamenteel minimale lengteschaal voor de ruimte zelf.,

een weergave van vlakke, lege ruimte met ongeacht welk type materie, energie of kromming. Als deze ruimte… is fundamenteel discreet, wat betekent dat er een minimale lengteschaal is voor het universum, we moeten in staat zijn om een experiment te ontwerpen dat, althans in theorie, dat gedrag laat zien.

Amber Stuver, van haar blog Living Ligo

natuurlijk zou een eindige, minimale lengte schaal zijn eigen reeks problemen creëren., In Einsteins relativiteitstheorie kun je overal een denkbeeldige liniaal neerzetten, en het zal lijken te verkorten op basis van de snelheid waarmee je er ten opzichte van beweegt. Als de ruimte discreet was en een minimale lengte schaal had, zouden verschillende waarnemers — dat wil zeggen mensen die zich met verschillende snelheden bewegen — nu een andere fundamentele lengte schaal van elkaar meten!

dat suggereert sterk dat er een “geprivilegieerd” referentiekader zou zijn, waarbij een bepaalde snelheid door de ruimte de maximaal mogelijke lengte zou hebben, terwijl alle andere korter zouden zijn., Dit houdt in dat iets dat we momenteel fundamenteel vinden, zoals Lorentz-invariantie of-plaats, fout moet zijn. Evenzo stelt de gediscretiseerde tijd grote problemen voor de Algemene Relativiteitstheorie.

deze illustratie, van licht dat door een dispersief prisma gaat en zich scheidt in duidelijk gedefinieerd… kleuren, is wat er gebeurt als veel medium tot hoge energie fotonen een kristal raken. Als we dit met slechts één foton zouden opzetten, zou de hoeveelheid die het kristal bewoog in een discreet aantal ruimtelijke stappen kunnen zijn.,’

Wikimedia Commons user Spigget

toch kan er een manier zijn om te testen of er een kleinste lengte schaal is of niet. Drie jaar voordat hij stierf, kwam fysicus Jacob Bekenstein met een briljant idee voor een experiment. Als je een enkel foton door een kristal laat gaan, laat je het licht bewegen.

omdat fotonen in energie (continu) kunnen worden afgestemd en kristallen zeer massief kunnen zijn in vergelijking met het momentum van een foton, kunnen we detecteren of het kristal in discrete “stappen” of continu beweegt., Met weinig energie fotonen, als de ruimte wordt gekwantiseerd, zou het kristal of een enkele kwantumstap bewegen of helemaal niet.

het weefsel van de ruimtetijd, geïllustreerd, met rimpelingen en vervormingen als gevolg van massa. Echter, zelfs… hoewel er veel dingen gebeuren in deze ruimte, hoeft het niet opgesplitst te worden in individuele kwanta zelf.,European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS

Op dit moment is er geen manier om te voorspellen wat er gaat gebeuren op afstandschalen die kleiner zijn dan ongeveer 10-35 meter, noch op tijdschalen die kleiner zijn dan ongeveer 10-43 seconden. Deze waarden worden bepaald door de fundamentele constanten die ons universum regeren. In de context van algemene relativiteit en kwantumfysica kunnen we niet verder gaan dan deze grenzen zonder onzin uit onze vergelijkingen te halen in ruil voor onze problemen.,

Het kan toch zo zijn dat een kwantumtheorie van zwaartekracht eigenschappen van ons universum buiten deze grenzen zal onthullen, of dat sommige fundamentele paradigmaverschuivingen met betrekking tot de aard van ruimte en tijd ons een nieuwe weg voorwaarts zouden kunnen wijzen. Als we onze berekeningen baseren op wat we vandaag weten, is er geen manier om onder de Planck schaal te gaan in termen van afstand of tijd. Er komt misschien een revolutie op dit front, maar de wegwijzers hebben ons nog niet laten zien waar het zal gebeuren.