czarne dziury mogą być naszą najlepszą opcją do badania kwantowych efektów grawitacyjnych, ponieważ przestrzeń bardzo… w pobliżu centralnej osobliwości spodziewane jest, że te efekty będą najważniejsze. Jednak poniżej pewnej skali odległości nie jesteśmy w stanie dokładnie opisać wszechświata, nawet w teorii. Istnienie najmniejszej skali odległości, przy której prawa fizyki mają obecnie sens, jest zagadką do rozwiązania dla fizyków.

NASA / Ames Research Center /C., Henze

Jeśli chcesz zrozumieć, jak działa nasz Wszechświat, musisz zbadać go na podstawowym poziomie. Obiekty makroskopowe składają się z cząstek, które same mogą zostać wykryte tylko przez przejście do skal subatomowych. Aby zbadać właściwości wszechświata, musisz spojrzeć na najmniejsze składniki w najmniejszej możliwej skali. Tylko poprzez zrozumienie, jak zachowują się na tym podstawowym poziomie, możemy mieć nadzieję zrozumieć, w jaki sposób łączą się, tworząc Wszechświat na skalę ludzką, który znamy.,

ale nie można ekstrapolować tego, co wiemy o nawet małym wszechświecie na dowolnie małe skale odległości. Jeśli zdecydujemy się zejść poniżej około 10-35 metrów-skala odległości Plancka — nasze konwencjonalne prawa fizyki dają tylko nonsens dla odpowiedzi. Oto historia, dlaczego poniżej pewnej skali długości nie możemy powiedzieć nic znaczącego fizycznie.

często wizualizujemy przestrzeń jako siatkę 3D, nawet jeśli jest to uproszczenie zależne od klatek, gdy… rozważamy pojęcie czasoprzestrzeni., Pytanie, czy przestrzeń i czas są dyskretne czy ciągłe, i czy istnieje najmniejsza możliwa skala długości, pozostaje bez odpowiedzi. Wiemy jednak, że poniżej skali odległości Plancka nie możemy przewidzieć niczego z żadną dokładnością.

ReunMedia/Storyblocks

wyobraź sobie, jeśli chcesz, jeden z klasycznych problemów fizyki kwantowej: cząstka-w-pudełku. Wyobraź sobie każdą cząstkę, którą lubisz, i wyobraź sobie, że jest ona w jakiś sposób ograniczona do pewnej małej objętości przestrzeni., Teraz, w tej kwantowej grze peek-A-boo, zadamy najprostsze pytanie, jakie można sobie wyobrazić: „gdzie jest ta cząstka?”

możesz dokonać pomiaru, aby określić położenie cząstki, a ten pomiar da ci odpowiedź. Ale będzie nieodłączna niepewność związana z tym pomiarem, gdzie niepewność jest spowodowana kwantowymi skutkami natury.

jak duża jest ta niepewność? Jest ona związana zarówno z ħ, jak i L, gdzie ħ jest stałą Plancka, a L jest wielkością pudełka.,

ten diagram ilustruje nieodłączną zależność niepewności między pozycją a momentem pędu. Kiedy JEDEN… jest znany dokładniej, drugi z natury jest mniej znany dokładnie.

użytkownik Wikimedia Commons Maschen

w przypadku większości eksperymentów, które wykonujemy, stała Plancka jest niewielka w porównaniu z rzeczywistą skalą odległości, którą jesteśmy w stanie zbadać, więc kiedy zbadamy otrzymaną niepewność-związaną zarówno z ħ, jak i L-zobaczymy niewielką nieodłączną niepewność.

ale co jeśli L jest małe?, Co jeśli L jest tak małe, że w stosunku do ħ jest albo porównywalne, albo nawet mniejsze?

tutaj można zobaczyć, że problem zaczyna się pojawiać. Te kwantowe korekty, które występują w przyrodzie, nie powstają po prostu dlatego, że istnieje główny, klasyczny efekt, a potem powstają kwantowe korekty rzędu ~. Istnieją korekty wszystkich rozkazów: ~ ħ, ~ħ2, ~ħ3, i tak dalej., Istnieje pewna skala długości, znana jako długość Plancka, gdzie jeśli ją osiągniesz, terminy wyższego rzędu (które zwykle ignorujemy) stają się tak samo ważne, jak lub nawet ważniejsze niż poprawki kwantowe, które normalnie stosujemy.

poziomy energii i fal elektronowych, które odpowiadają różnym stanom w wodorze… atom, chociaż konfiguracje są bardzo podobne dla wszystkich atomów., Poziomy energii są kwantyzowane w wielokrotnościach stałej Plancka, ale rozmiary orbitali i atomów są określane przez energię stanu gruntu i masę elektronu. Dodatkowe efekty mogą być subtelne, ale przesuwają poziomy energii w mierzalnych, wymiernych modzie. Zauważ, że potencjał stworzony przez jądro działa jak „pudełko”, które ogranicza zakres fizyczny elektronu, podobnie jak w eksperymencie myślowym particle-in-a-box.

PoorLeno z Wikimedia Commons

Jaka jest więc ta krytyczna skala długości?, Skala Plancka została po raz pierwszy przedstawiona przez fizyka Maxa Plancka ponad 100 lat temu. Planck wziął trzy stałe natury:

  1. G, stałą grawitacyjną teorii grawitacji Newtona i Einsteina,
  2. ħ, stałą Plancka lub podstawową stałą kwantową Natury, i
  3. c, Prędkość światła w próżni,

i zdał sobie sprawę, że można je łączyć na różne sposoby, aby uzyskać jedną wartość dla masy, inną wartość dla czasu i inną wartość dla odległości., Te trzy wielkości są znane jako masa Plancka (która wynosi około 22 mikrogramy), czas Plancka (około 10-43 sekund) i długość Plancka (około 10-35 metrów). Jeśli umieścisz cząstkę w pudełku o długości Plancka lub mniejszej, niepewność jego położenia będzie większa niż rozmiar pudełka.

jeśli ograniczysz cząstkę do przestrzeni i spróbujesz zmierzyć jej właściwości, nastąpi kwant… efekty proporcjonalne do stałej Plancka i wielkości pudełka., Jeśli pole jest bardzo małe, poniżej pewnej skali długości, właściwości te stają się niemożliwe do obliczenia.

Andy Nguyen/ut-Medical School at Houston

ale w tej historii jest o wiele więcej. Wyobraź sobie, że masz cząstkę pewnej masy. Jeśli skompresujesz tę masę do wystarczająco małej objętości, dostaniesz czarną dziurę, tak jak dla każdej masy. Gdybyś wziął masę Plancka-która jest określona przez kombinację tych trzech stałych w postaci √(ħc/G) – i zadał to pytanie, jaką odpowiedź byś otrzymał?,

stwierdziłbyś, że objętość przestrzeni, którą potrzebowałbyś zająć, byłaby sferą, której promień Schwarzschilda jest dwukrotnie dłuższy od długości Plancka. Jeśli zapytasz, jak długo zajmie przejście z jednego końca czarnej dziury do drugiego, czas jest czterokrotnie dłuższy niż czas Plancka. To nie przypadek, że te ilości są ze sobą powiązane; to nie jest zaskakujące. Ale to, co może być zaskakujące, to to, co implikuje, kiedy zaczynasz zadawać pytania o Wszechświat w tych małych odległościach i skalach czasowych.,

energia fotonu zależy od długości fali, jaką ma; dłuższa długość fali jest mniejsza w energii i… krótsze długości fal są wyższe. Zasadniczo nie ma ograniczeń co do tego, jak krótka może być długość fali, ale istnieją inne problemy fizyki, których nie można zignorować.

użytkownik Wikimedia Commons maxhurtz

aby zmierzyć cokolwiek w skali Plancka, potrzebujesz cząstki o wystarczająco dużej energii, aby ją zbadać., Energia cząstki odpowiada długości fali (albo fali fotonowej dla światła, albo fali de Broglie ' ego dla materii), a aby zejść do długości Plancka, potrzebna jest cząstka o energii Plancka: ~1019 GeV, czyli około biliona razy większej niż maksymalna energia LHC.

gdybyś miał cząstkę, która rzeczywiście osiągnęła tę energię, jej pęd byłby tak duży, że niepewność energii i pędu uczyniłaby tę cząstkę nie do odróżnienia od czarnej dziury. To jest naprawdę skala, w której łamie się nasze prawa fizyki.,

symulowany rozpad czarnej dziury powoduje nie tylko emisję promieniowania, ale także rozpad… Centralna masa orbitująca, która utrzymuje stabilność większości obiektów. Czarne dziury nie są obiektami statycznymi, ale raczej zmieniają się w czasie. Dla czarnych dziur o najmniejszej masie parowanie następuje najszybciej.

Nauka komunikowania się w UE

gdy przyjrzymy się sytuacji bardziej szczegółowo, sytuacja jest tylko pogarszana., Jeśli zaczniesz myśleć o kwantowych fluktuacjach związanych z samą przestrzenią (lub czasoprzestrzenią), przypomnisz sobie, że istnieje również zależność niepewności energia-czas. Im mniejsza skala odległości, tym mniejsza odpowiednia skala czasowa, co oznacza większą niepewność energetyczną.

w skali odległości Plancka oznacza to pojawienie się czarnych dziur i kwantowych tuneli czasoprzestrzennych, których nie możemy zbadać. Jeśli wykonałbyś kolizje o wyższej energii, stworzyłbyś po prostu większą masę (i większy rozmiar) czarnych dziur, które następnie odparowałyby przez promieniowanie Hawkinga.,

ilustracja pojęcia piany kwantowej, gdzie fluktuacje kwantowe są duże, zróżnicowane i… ważne w najmniejszej skali. Energia nieodłącznie związana z przestrzenią waha się w dużych ilościach na tych skalach. Jeśli widzisz skale, które są wystarczająco małe, takie jak zbliżanie się do skali Plancka, wahania stają się na tyle duże, że spontanicznie tworzą czarne dziury.

NASA / CXC / M. Weiss

można by argumentować, że być może właśnie dlatego potrzebujemy grawitacji kwantowej., Że kiedy weźmiemy reguły kwantowe, które znamy i zastosujemy je do prawa grawitacji, które znamy, to po prostu podkreślamy podstawową niezgodność między fizyką kwantową a ogólną teorią względności. Ale to nie takie proste.

energia to energia i wiemy, że powoduje zakrzywienie przestrzeni. Jeśli zaczniesz wykonywać obliczenia kwantowej teorii pola w skali Plancka lub w jej pobliżu, nie wiesz już, w jakim rodzaju czasoprzestrzeni wykonać obliczenia. Nawet w elektrodynamice kwantowej lub chromodynamice kwantowej możemy traktować czasoprzestrzeń tła, w której te cząstki istnieją, jako płaską., Nawet wokół czarnej dziury możemy użyć znanej geometrii przestrzennej. Ale przy tej ultra-intensywnej energii krzywizna przestrzeni jest nieznana. Nie możemy obliczyć niczego znaczącego.

grawitacja kwantowa próbuje połączyć ogólną teorię względności Einsteina z mechaniką kwantową…. Kwantowe poprawki do klasycznej grawitacji są wizualizowane jako diagramy pętli, jak ten pokazany tutaj w kolorze białym., To, czy sama przestrzeń (lub czas) jest dyskretna lub ciągła, nie jest jeszcze rozstrzygnięte, podobnie jak kwestia, czy grawitacja jest w ogóle skwantyzowana, czy cząstki, jakie znamy dzisiaj, są fundamentalne, czy nie. Ale jeśli mamy nadzieję na fundamentalną teorię wszystkiego, musi ona obejmować pola skwantowane.

SLAC National Accelerator Lab

przy energiach, które są wystarczająco wysokie, lub (równoważnie) przy wystarczająco małych odległościach lub krótkich czasach, nasze obecne prawa fizyki załamują się., Krzywizna tła przestrzeni, której używamy do wykonywania obliczeń kwantowych, jest zawodna, a zależność niepewności zapewnia, że nasza niepewność jest większa niż jakakolwiek prognoza, którą możemy wykonać. Fizyka, którą znamy, nie może być już stosowana, i to mamy na myśli, gdy mówimy, że ” prawa fizyki załamują się.”

ale może być wyjście z tej zagadki. Istnieje pomysł, który krąży wokół przez długi czas — od Heisenberga, właściwie-który może dostarczyć rozwiązanie: być może istnieje zasadniczo minimalna skala długości do samej przestrzeni.,

reprezentacja płaskiej, pustej przestrzeni bez znaczenia, energii lub krzywizny dowolnego typu. Jeśli to miejsce… jest zasadniczo dyskretny, co oznacza, że istnieje minimalna skala długości do wszechświata, powinniśmy być w stanie zaprojektować eksperyment, który, przynajmniej w teorii, pokazuje to zachowanie.

Amber Stuver, ze swojego bloga Living Ligo

oczywiście skończona, minimalna skala długości stworzy własny zestaw problemów., W teorii względności Einsteina można umieścić wyimaginowaną linijkę, w dowolnym miejscu, i wydaje się, że skraca się na podstawie prędkości, z jaką poruszasz się względem niego. Gdyby przestrzeń była dyskretna i miała minimalną skalę długości, różni obserwatorzy-czyli ludzie poruszający się z różnymi prędkościami — mierzyliby teraz inną podstawową skalę długości od siebie!

to zdecydowanie sugeruje, że istnieje „uprzywilejowana” ramka odniesienia, w której jedna konkretna prędkość w przestrzeni miałaby maksymalną możliwą długość, podczas gdy wszystkie inne byłyby krótsze., Oznacza to, że coś, co obecnie uważamy za fundamentalne, jak niezmienność Lorentza lub lokalność, musi być błędne. Podobnie dyskrecjonalny czas stwarza duże problemy dla ogólnej teorii względności.

ilustracja przedstawiająca światło przechodzące przez pryzmat dyspersyjny i rozdzielające się na jasno określone… kolory, czyli to, co się dzieje, gdy wiele fotonów o średniej i wysokiej energii uderza w Kryształ. Jeśli ustawimy to za pomocą jednego fotonu, ilość poruszanego kryształu może być w dyskretnej liczbie kroków przestrzennych.,'

Spigget użytkownika Wikimedia Commons

mimo to, może być sposób na sprawdzenie, czy istnieje najmniejsza skala długości, czy nie. Trzy lata przed śmiercią fizyk Jacob Bekenstein przedstawił genialny pomysł na eksperyment. Jeśli przepuścisz pojedynczy Foton przez kryształ, spowodujesz, że poruszy się on o niewielką ilość.

ponieważ fotony mogą być dostrojone w energię (w sposób ciągły), a kryształy mogą być bardzo masywne w porównaniu do pędu fotonu, możemy wykryć, czy kryształ porusza się w dyskretnych „krokach”, czy w sposób ciągły., Przy fotonach o niskiej energii, jeśli przestrzeń jest skwantyzowana, kryształ porusza się pojedynczym krokiem kwantowym lub wcale.

tkanina czasoprzestrzeni, ilustrowana, z falami i deformacjami spowodowanymi masą. Jednak nawet… choć w tej przestrzeni dzieje się wiele rzeczy, nie trzeba jej rozbijać na poszczególne kwanty.,

Europejskie Obserwatorium grawitacyjne, Lionel BRET/EUROLIOS

obecnie nie można przewidzieć, co się wydarzy na skalach odległości mniejszych niż około 10-35 metrów, ani na skalach czasowych mniejszych niż około 10-43 sekundy. Wartości te są ustalane przez Podstawowe Stałe, które rządzą naszym wszechświatem. W kontekście ogólnej teorii względności i fizyki kwantowej, nie możemy przekroczyć tych granic bez wyciągania nonsensów z naszych równań w zamian za nasze kłopoty.,

może się jeszcze zdarzyć, że kwantowa teoria grawitacji ujawni właściwości naszego wszechświata poza tymi granicami, lub że pewne fundamentalne zmiany paradygmatu dotyczące natury przestrzeni i czasu mogą wskazać nam nową drogę do przodu. Jeśli jednak opieramy nasze obliczenia na tym, co znamy dzisiaj, nie ma sposobu, aby przejść poniżej skali Plancka pod względem odległości lub czasu. Na tym froncie może nastąpić rewolucja, ale drogowskazy jeszcze nie pokazały nam, gdzie ona nastąpi.