buracos negros pode ser a nossa melhor opção para explorar efeitos gravitacionais quânticos, como o espaço muito… perto da singularidade central é onde se espera que esses efeitos sejam mais importantes. No entanto, abaixo de uma certa escala de distância, somos incapazes de descrever com precisão o universo, mesmo em teoria. A existência de uma menor escala de distância na qual as leis da física atualmente fazem sentido é um quebra-cabeça ainda por resolver para os físicos.NASA / Ames Research Center / C., Henze
se quisesse compreender como o nosso universo funciona, teria de o examinar a um nível fundamental. Os objetos macroscópicos são compostos de partículas, que só podem ser detectados por meio de escalas subatômicas. Para examinar as propriedades do Universo, você deve olhar para os menores constituintes nas menores escalas possíveis. Só entendendo como eles se comportam neste nível fundamental podemos esperar entender como eles se unem para criar o universo em escala humana com o qual estamos familiarizados.,
mas você não pode extrapolar o que sabemos sobre mesmo o universo de pequena escala para arbitrariamente pequenas escalas de distância. Se decidirmos descer para baixo cerca de 10-35 metros-a escala de distância de Planck-nossas leis convencionais da física só dão disparates para respostas. Aqui está a história de porque, abaixo de uma certa escala de comprimento, não podemos dizer nada fisicamente significativo.
muitas vezes visualizamos o espaço como uma grelha 3D, mesmo que esta seja uma simplificação excessiva dependente de quadros quando… consideramos o conceito de espaço-tempo., A questão de saber se o espaço e o tempo são discretos ou contínuos, e se há uma menor escala de comprimento possível, ainda não foi respondida. No entanto, sabemos que abaixo da escala de distância de Planck, não podemos prever nada com qualquer precisão.
ReunMedia/Storyblocks
Imagine, se quiser, um dos problemas clássicos da física quântica: a partícula-em-uma-caixa. Imagine qualquer partícula que você gosta, e imagine que de alguma forma está confinada a um certo pequeno volume de espaço., Agora, neste jogo quântico de peek-A-boo, vamos fazer a pergunta mais direta que você pode imaginar: “onde está essa partícula?”
Você pode fazer uma medição para determinar a posição da partícula, e essa medição lhe dará uma resposta. Mas haverá uma incerteza inerente associada a essa medição, onde a incerteza é causada pelos efeitos quânticos da natureza.
quão grande é essa incerteza? É relacionado tanto a ħ como a L, onde hanck é constante e L é o tamanho da caixa.,
este diagrama ilustra a incerteza inerente à relação entre a posição e o momento. Quando um… é conhecido com mais precisão, o outro é inerentemente menos capaz de ser conhecido com precisão.
Wikimedia Commons usuário Maschen
Para a maioria dos experimentos que realizamos, e a constante de Planck é pequena quando comparada a qualquer distância real de escala somos capazes de sondagem, e assim, quando examinamos a incerteza que temos, para tanto ± e L — vamos ver um pequeno grau de incerteza.mas e se L for pequeno?, E se L é tão pequeno que, em relação a ħ, Ou é de tamanho comparável ou ainda menor?
é aqui que você pode ver o problema começar a surgir. Estas correções quânticas que ocorrem na natureza não surgem simplesmente porque há o principal efeito clássico, e então há correções quânticas de ordem ~ ħ que surgem. Existem correções de todas as ordens: ~ħ2, ~ħ3, e assim por diante., Há uma certa escala de comprimento, conhecida como comprimento de Planck, onde se você chegar a ela, os Termos de ordem superior (que normalmente ignoramos) se tornam tão importantes quanto, ou ainda mais importantes do que, as correções quânticas que normalmente aplicamos.
os níveis de energia e as ondas de electrões que correspondem a diferentes estados dentro de um hidrogénio… atom, although the configurations are extremely similar for all atoms., Os níveis de energia são quantizados em múltiplos da constante de Planck, mas os tamanhos dos orbitais e átomos são determinados pela energia do Estado do solo e a massa do elétron. Efeitos adicionais podem ser sutis, mas mudam os níveis de energia em formas mensuráveis e quantificáveis. Note que o potencial criado pelo Núcleo age como uma “caixa” que limita a extensão física do elétron, similar ao experimento de pensamento de partícula em caixa.
Poarleno of Wikimedia Commons
o que é essa escala crítica de comprimento, então?, A escala de Planck foi apresentada pela primeira vez pelo físico Max Planck há mais de 100 anos. Planck teve três constantes da natureza:
- G, a constante gravitacional de Newton e Einstein teorias da gravidade,
- ±, a constante de Planck, ou a fundamental quantum constante da natureza, e
- c, a velocidade da luz no vácuo,
e percebi que você pode combiná-los de diferentes maneiras para obter um único valor para a massa, outro valor para o tempo, e outro valor para a distância., Estas três quantidades são conhecidas como a massa de Planck (que chega a cerca de 22 microgramas), o tempo de Planck (cerca de 10-43 segundos), e o comprimento de Planck (cerca de 10-35 metros). Se você colocar uma partícula em uma caixa que é o comprimento de Planck ou menor, a incerteza em sua posição torna-se maior do que o tamanho da caixa.
se confinar uma partícula a um espaço, e tentar medir as suas propriedades, haverá quantum… efeitos proporcionais à constante de Planck e ao tamanho da caixa., Se a caixa é muito pequena, abaixo de uma certa escala de comprimento, estas propriedades tornam-se impossíveis de calcular.
Andy Nguyen/ut-Escola de Medicina em Houston
mas há muito mais na história do que isso. Imagina que tinhas uma partícula de uma certa massa. Se comprimisse essa massa num volume suficientemente pequeno, teria um buraco negro, tal como faria com qualquer massa. Se você pegasse a massa de Planck-que é definida pela combinação dessas três constantes na forma de √(ħc / G) – e fizesse essa pergunta, que tipo de resposta você receberia?,
você descobriria que o volume de espaço que você precisava que a massa ocupasse seria uma esfera cujo raio de Schwarzschild é o dobro do comprimento de Planck. Se você perguntar Quanto tempo levaria para atravessar de uma extremidade do buraco negro para a outra, o tempo é quatro vezes o tempo de Planck. Não é coincidência que essas quantidades estejam relacionadas; isso não é surpreendente. Mas o que pode ser surpreendente é o que isso implica quando você começa a fazer perguntas sobre o universo nessas pequenas distâncias e escalas de tempo.,
a energia de um fóton depende do comprimento de onda que tem; comprimento de onda mais longo é menor em energia e… comprimentos de onda mais curtos são mais altos. Em princípio, não há limite para quão curto um comprimento de onda pode ser, mas há outras preocupações físicas que não podem ser ignoradas.
Wikimedia Commons user maxhurtz
In order to measure anything at the Planck scale, you’d need a particle with sufficiently high energy to probe it., A energia de uma partícula corresponde a um comprimento de onda (ou um comprimento de onda de fóton para a luz ou um comprimento de onda de De Broglie para a matéria), e para chegar a comprimentos de Planck, você precisa de uma partícula na energia de Planck: ~1019 GeV, ou aproximadamente um quadrilhão de vezes maior do que a energia de LHC máxima.se você tivesse uma partícula que realmente atingisse essa energia, seu momento seria tão grande que a incerteza energia-momento tornaria essa partícula indistinguível de um buraco negro. Esta é realmente a escala na qual nossas leis da física quebram.,
o decaimento simulado de um buraco negro não só resulta na emissão de radiação, mas também no decaimento de… a massa orbital central que mantém a maioria dos objectos estáveis. Os buracos negros não são objetos estáticos, mas mudam ao longo do tempo. Para os buracos negros de menor massa, a evaporação é a mais rápida.quando se examina a situação com mais pormenor, só piora., Se você começar a pensar sobre flutuações quânticas inerentes ao espaço (ou espaço-tempo) em si, você vai lembrar que também há uma relação de incerteza energia-tempo. Quanto menor a escala de distância, menor a escala de tempo correspondente, o que implica uma maior incerteza energética.
na escala de distância de Planck, isso implica o aparecimento de buracos negros e buracos de minhoca de escala quântica, que não podemos investigar. Se você realizasse colisões de maior energia, você simplesmente criaria buracos negros de maior massa (e maior tamanho), que então evaporariam através da radiação Hawking.,
uma ilustração do conceito de espuma quântica, onde as flutuações quânticas são grandes, variadas, e… importante no menor dos escalas. A energia inerente ao espaço flutua em grandes quantidades nestas escalas. Se você ver escalas que são pequenas o suficiente, como se aproximando da escala de Planck, as flutuações se tornam grandes o suficiente para que elas criem buracos negros espontaneamente.
NASA / CXC / M. Weiss
você pode argumentar que, talvez, é por isso que precisamos de gravidade quântica., Que quando pegamos nas regras quânticas que conhecemos e aplicamo-las à Lei da gravidade que conhecemos, isto está simplesmente a realçar uma incompatibilidade fundamental entre a física quântica e a Relatividade Geral. Mas não é assim tão simples.a energia é energia, e sabemos que faz o espaço curvar-se. Se você começar a tentar realizar cálculos da teoria quântica de campos em ou perto da escala de Planck, você já não sabe em que tipo de espaço-tempo realizar seus cálculos. Mesmo na eletrodinâmica quântica ou cromodinâmica quântica, podemos tratar o espaço-tempo de fundo onde estas partículas existem para serem planas., Mesmo em torno de um buraco negro, podemos usar uma geometria espacial conhecida. Mas nestas energias ultra-intensas, a curvatura do espaço é desconhecida. Não podemos calcular nada significativo.
gravidade quântica tenta combinar a Teoria Geral da Relatividade de Einstein com a mecânica quântica…. Correções quânticas para a gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco., Se o espaço (ou o tempo) em si é discreto ou contínuo ainda não é decidido, como é a questão de se a gravidade é quantizada em tudo, ou partículas, como nós os conhecemos hoje, são fundamentais ou não. Mas se esperamos por uma teoria fundamental de tudo, ela deve incluir campos quantizados.
SLAC National Accelerator Lab
em energias suficientemente elevadas, ou (equivalentemente) em distâncias suficientemente pequenas ou em períodos curtos, as nossas leis actuais da física quebram-se., A curvatura de fundo do espaço que usamos para realizar cálculos quânticos não é confiável, e a relação de incerteza garante que a nossa incerteza é maior em magnitude do que qualquer previsão que possamos fazer. A física que conhecemos já não pode ser aplicada, e é isso que queremos dizer quando dizemos que “as leis da física se quebram.”
mas pode haver uma maneira de sair deste enigma. Há uma idéia que tem flutuado por um longo tempo — desde Heisenberg, na verdade — que poderia fornecer uma solução: talvez haja uma escala de comprimento fundamentalmente mínima para o próprio espaço.,
uma representação de espaço plano, vazio, sem matéria, energia ou curvatura de qualquer tipo. Se este espaço… é fundamentalmente discreto, o que significa que há uma escala mínima de comprimento para o universo, devemos ser capazes de projetar uma experiência que, pelo menos em teoria, mostra esse comportamento.
Amber Stuver, de seu blog, Living Ligo
é claro, uma escala de tamanho mínima finita criaria seu próprio conjunto de problemas., Na teoria da relatividade de Einstein, você pode colocar um governante imaginário, em qualquer lugar, e ele parecerá encurtar com base na velocidade a que você se move em relação a ele. Se o espaço fosse discreto e tivesse uma escala mínima de comprimento, observadores diferentes — isto é, pessoas que se movem em velocidades diferentes — agora mediriam uma escala fundamental de comprimento diferente uma da outra!
isso sugere fortemente que haveria um quadro” privilegiado ” de referência, onde uma determinada velocidade através do espaço teria o comprimento máximo possível, enquanto todas as outras seriam mais curtas., This implies that something that we currently think is fundamental, like Lorentz invariance or locality, must be wrong. Da mesma forma, o tempo discretizado coloca grandes problemas para a Relatividade Geral.
esta ilustração, de luz que passa por um prisma dispersivo e se separa em claramente definido… cores, é o que acontece quando muitos fotões de energia média a alta atingem um cristal. Se nós fôssemos configurar isto com apenas um fóton, a quantidade que o cristal moveu poderia estar em um número discreto de passos espaciais.,’
Wikimedia Commons user Spigget
Still, there may actually be a way to test whether there is a smallest length scale or not. Três anos antes de morrer, o físico Jacob Bekenstein apresentou uma ideia brilhante para uma experiência. Se passar um único fotão através de um cristal, fará com que se mova um pouco.
porque os fótons podem ser sintonizados em energia (continuamente) e os cristais podem ser muito massivos em comparação com o momento de um fóton, podemos detectar se o cristal se move em “passos” discretos ou continuamente., Com fótons de energia baixa, se o espaço é quantizado, o cristal moveria um único passo quântico ou não.o tecido do espaço-tempo, ilustrado, com ondulações e deformações devidas à massa. No entanto, até… embora haja muitas coisas acontecendo neste espaço, ele não precisa ser dividido em quanta individual.,Observatório gravitacional Europeu, Lionel BRET/EUROLIOS
atualmente, não há como prever o que vai acontecer em escalas de distância que são menores que 10-35 metros, nem em escalas de tempo que são menores que cerca de 10-43 segundos. Estes valores são definidos pelas constantes fundamentais que governam o nosso universo. No contexto da Relatividade Geral e da física quântica, não podemos ir mais longe do que esses limites sem tirar o absurdo de nossas equações em troca de nossos problemas.,pode ainda acontecer que uma teoria quântica da gravidade revele propriedades do nosso Universo para além destes limites, ou que algumas mudanças de paradigma fundamentais relativas à natureza do espaço e do tempo possam mostrar-nos um novo caminho em frente. Se basearmos nossos cálculos no que sabemos hoje, no entanto, não há maneira de ir abaixo da escala de Planck em termos de distância ou tempo. Pode haver uma revolução nesta frente, mas os sinais ainda não nos mostraram onde irá acontecer.