găurile negre pot fi cea mai bună opțiune pentru explorarea efectelor gravitaționale cuantice, ca spațiu foarte… aproape de Singularitatea centrală este locul în care se așteaptă ca aceste efecte să fie cele mai importante. Cu toate acestea, sub o anumită scară de distanță, nu putem descrie cu exactitate Universul, chiar și în teorie. Existența unei scale la cea mai mică distanță la care legile fizicii au sens în prezent este un puzzle încă de rezolvat pentru fizicieni.
Centrul de cercetare NASA / Ames / C., Henze
dacă ați vrut să înțelegeți cum funcționează universul nostru, ar trebui să îl examinați la un nivel fundamental. Obiectele macroscopice sunt alcătuite din particule, care pot fi detectate numai prin trecerea la scale subatomice. Pentru a examina proprietățile universului, trebuie să te uiți la cele mai mici componente pe cele mai mici scări posibile. Doar înțelegând cum se comportă la acest nivel fundamental putem spera să înțelegem cum se unesc pentru a crea Universul la scară umană cu care suntem familiarizați.,
dar nu puteți extrapola ceea ce știm despre chiar și universul la scară mică la scări arbitrar de mică distanță. Dacă decidem să coborâm sub aproximativ 10-35 de metri — scara de distanță Planck-legile noastre convenționale ale fizicii dau doar prostii pentru răspunsuri. Iată povestea de ce, sub o anumită scară de lungime, nu putem spune nimic semnificativ din punct de vedere fizic.adesea vizualizăm spațiul ca o grilă 3D, chiar dacă aceasta este o suprasimplificare dependentă de cadru atunci când… considerăm conceptul de spațiu-timp., Întrebarea dacă spațiul și timpul sunt discrete sau continue, și dacă există o scară de lungime mai mică posibilă, este încă fără răspuns. Cu toate acestea, știm că sub scara distanței Planck, nu putem prezice nimic cu nicio precizie.
ReunMedia / Storyblocks
Imaginați-vă, dacă vă place, una dintre problemele clasice ale fizicii cuantice: particula-in-a-box. Imaginați-vă orice particulă doriți și imaginați-vă că este cumva limitată la un anumit volum mic de spațiu., Acum, în acest joc cuantic al lui peek-A-boo, vom pune cea mai simplă întrebare pe care ți-o poți imagina: „unde este această particulă?”
puteți face o măsurare pentru a determina poziția particulei, și că măsurarea vă va da un răspuns. Dar va exista o incertitudine inerentă asociată cu acea măsurare, unde incertitudinea este cauzată de efectele cuantice ale naturii.
cât de mare este această incertitudine? Este legată atât de ħ, cât și de L, unde ħ este constanta lui Planck și L este dimensiunea cutiei.,
această diagramă ilustrează relația de incertitudine inerentă între poziție și impuls. Când unul… este cunoscut mai precis, celălalt este în mod inerent mai puțin capabil să fie cunoscut cu exactitate.
Wikimedia Commons utilizator Maschen
Pentru cele mai multe dintre experimente vom efectua, constanta lui Planck este mică în comparație cu distanța reală la scară suntem capabili de sondare, și așa că atunci când vom examina incertitudine ne — legate atât ħ și L — vom vedea un mic incertitudini.dar dacă L este mic?, Ce se întâmplă dacă L este atât de mic încât, în raport cu ħ, este fie de dimensiuni comparabile, fie chiar mai mic?acest lucru este în cazul în care puteți vedea problema începe să apară. Aceste corecții cuantice care apar în natură nu apar pur și simplu pentru că există efectul principal, clasic, și apoi există corecții cuantice de ordine ~ħ care apar. Există corecții de toate ordinele: ~ħ, ~ħ2, ~ħ3, și așa mai departe., Există o anumită scară de lungime, cunoscută sub numele de lungimea Planck, unde, dacă o atingeți, termenii de ordin superior (pe care de obicei îi ignorăm) devin la fel de importanți sau chiar mai importanți decât corecțiile cuantice pe care le aplicăm în mod normal.
nivelurile de energie și de undă de electroni care corespund diferitelor stări într-un hidrogen… atom, deși configurațiile sunt extrem de similare pentru toți atomii., Nivelurile de energie sunt cuantificate în multipli ai Constantei lui Planck, dar dimensiunile orbitalilor și atomilor sunt determinate de energia de la sol și de masa electronului. Efectele suplimentare pot fi subtile, dar schimba nivelurile de energie în moduri măsurabile, cuantificabile. Rețineți că potențialul creat de nucleu acționează ca o „cutie” care limitează întinderea fizică a electronului, similar cu experimentul de gândire al particulelor în cutie.
PoorLeno de la Wikimedia Commons
care este acea scară critică de lungime?, Scara Planck a fost prezentată pentru prima dată de fizicianul Max Planck cu mai mult de 100 de ani în urmă. Planck a luat trei constante ale naturii:
- G, constanta gravitațională a lui Newton și teoriile lui Einstein a gravitației,
- ħ, constanta lui Planck, sau cuantice fundamentale constantă a naturii, și
- c, viteza luminii în vid,
și-a dat seama că ai putea să le combine în moduri diferite pentru a obține o singură valoare pentru masa, o altă valoare pentru timp, și o altă valoare pentru distanta., Aceste trei cantități sunt cunoscute sub numele de masa Planck (care se ridică la aproximativ 22 micrograme), timpul Planck (în jur de 10-43 secunde) și lungimea Planck (aproximativ 10-35 metri). Dacă puneți o particulă într-o cutie care are lungimea Planck sau mai mică, incertitudinea în poziția sa devine mai mare decât dimensiunea cutiei.dacă limitați o particulă într-un spațiu și încercați să măsurați proprietățile sale, va exista cuantic… efecte proporționale cu constanta lui Planck și dimensiunea cutiei., Dacă caseta este foarte mică, sub o anumită scară de lungime, aceste proprietăți devin imposibil de calculat.dar există mult mai mult în poveste decât atât. Imaginați-vă că aveți o particulă de o anumită masă. Dacă comprimați acea masă într-un volum suficient de mic, veți obține o gaură neagră, la fel ca pentru orice masă. Dacă ați lua masa Planck-care este definită de combinația celor trei constante sub forma √(ħc / G) – și ați pune această întrebare, ce fel de răspuns ați primi?,ai descoperi că volumul de spațiu pe care aveai nevoie de acea masă pentru a-l ocupa ar fi o sferă a cărei rază Schwarzschild este dublă față de lungimea lui Planck. Dacă ați întreba Cât timp va dura trecerea de la un capăt al găurii negre la celălalt, durata de timp este de patru ori mai mare decât timpul Planck. Nu este o coincidență că aceste cantități sunt legate; asta nu este surprinzător. Dar ceea ce ar putea fi surprinzător este ceea ce implică atunci când începeți să puneți întrebări despre Univers la acele mici distanțe și scale de timp.,energia unui foton depinde de lungimea de undă pe care o are; lungimea de undă mai lungă este mai mică în energie și… lungimile de undă mai scurte sunt mai mari. În principiu, nu există nicio limită la cât de scurtă poate fi o lungime de undă, dar există și alte preocupări fizice care nu pot fi ignorate.Wikimedia Commons utilizator maxhurtz
pentru a măsura ceva la scara Planck, ai nevoie de o particulă cu energie suficient de mare pentru a o sonda., Energia unei particule corespunde unei lungimi de undă (fie o lungime de undă fotonică pentru lumină, fie o lungime de undă de Broglie pentru materie), iar pentru a ajunge la lungimi Planck, aveți nevoie de o particulă la energia Planck: ~1019 GeV, sau aproximativ un cvadrilion de ori mai mare decât energia maximă LHC.dacă ați avea o particulă care a obținut acea energie, impulsul său ar fi atât de mare încât incertitudinea energie-impuls ar face ca acea particulă să nu poată fi distinsă de o gaură neagră. Aceasta este cu adevărat scara la care legile fizicii noastre se descompun.,dezintegrarea simulată a unei găuri negre nu numai că are ca rezultat emisia de radiații, ci și degradarea… masa orbitantă centrală care menține cele mai multe obiecte stabile. Găurile negre nu sunt obiecte statice, ci mai degrabă se schimbă în timp. Pentru găurile negre cu cea mai mică masă, evaporarea se întâmplă cel mai rapid.
știința comunicării a UE
când examinați situația în detaliu, aceasta se înrăutățește., Dacă începeți să vă gândiți la fluctuațiile cuantice inerente spațiului (sau spațiului-timp) în sine, vă veți aminti că există și o relație de incertitudine energie-timp. Cu cât scara de distanță este mai mică, cu atât este mai mică intervalul de timp corespunzător, ceea ce implică o incertitudine energetică mai mare.la scara de distanță Planck, aceasta implică apariția găurilor negre și a găurilor de vierme la scară cuantică, pe care nu le putem investiga. Dacă ați efectuat coliziuni cu energie mai mare, ați crea pur și simplu găuri negre de masă mai mari (și dimensiuni mai mari), care apoi s-ar evapora prin radiații Hawking.,o ilustrare a conceptului de spumă cuantică, unde fluctuațiile cuantice sunt mari, variate și… important pe cea mai mică scală. Energia inerentă spațiului fluctuează în cantități mari pe aceste scale. Dacă vedeți scale suficient de mici, cum ar fi apropierea de scara Planck, fluctuațiile devin suficient de mari încât să creeze spontan găuri negre.s-ar putea argumenta că, probabil, acesta este motivul pentru care avem nevoie de gravitație cuantică., Că atunci când luăm Regulile cuantice pe care le cunoaștem și le aplicăm legii gravitației pe care o cunoaștem, aceasta evidențiază pur și simplu o incompatibilitate fundamentală între fizica cuantică și relativitatea generală. Dar nu este atât de simplu.
energia este energie și știm că provoacă curbarea spațiului. Dacă începeți să încercați să efectuați calcule cuantice ale teoriei câmpului la sau în apropierea scalei Planck, nu mai știți în ce tip de spațiu-timp să efectuați calculele. Chiar și în electrodinamica cuantică sau în cromodinamica cuantică, putem trata spațiul de fundal în care aceste particule există pentru a fi plate., Chiar și în jurul unei găuri negre, putem folosi o geometrie spațială cunoscută. Dar la aceste energii ultra-intense, curbura spațiului este necunoscută. Nu putem calcula nimic semnificativ.gravitația cuantică încearcă să combine Teoria generală a relativității lui Einstein cu mecanica cuantică…. Corecțiile cuantice ale gravitației clasice sunt vizualizate ca diagrame de buclă, ca cea prezentată aici în alb., Dacă spațiul (sau timpul) în sine este discret sau continuu nu este încă decis, la fel ca întrebarea dacă gravitația este cuantificată deloc sau particulele, așa cum le cunoaștem astăzi, sunt fundamentale sau nu. Dar dacă sperăm la o teorie fundamentală a tuturor, trebuie să includă câmpuri cuantificate.
SLAC National Accelerator de Laborator
La energii suficient de mari, sau (echivalent) la distanțe suficient de mici sau scurte ori noastră actuală legile fizicii., Curbura de fond a spațiului pe care o folosim pentru a efectua calcule cuantice este nesigură, iar relația de incertitudine asigură că incertitudinea noastră are o magnitudine mai mare decât orice predicție pe care o putem face. Fizica pe care o cunoaștem nu mai poate fi aplicată și la asta ne referim când spunem că „legile fizicii se descompun.”
dar ar putea exista o cale de ieșire din această enigmă. Există o idee care plutește de mult timp — de la Heisenberg, de fapt — care ar putea oferi o soluție: poate există o scară fundamentală minimă de lungime a spațiului în sine.,
o reprezentare a spațiului plat, gol, fără materie, energie sau curbură de orice tip. Dacă acest spațiu… este fundamental discret, ceea ce înseamnă că există o scară minimă de lungime a universului, ar trebui să putem proiecta un experiment care, cel puțin în teorie, arată acest comportament.Amber Stuver, de pe blogul ei, Living Ligo
desigur, o scară de lungime minimă finită ar crea propriul set de probleme., În teoria relativității a lui Einstein, poți pune jos o riglă imaginară, oriunde, și va părea să se scurteze în funcție de viteza cu care te miști în raport cu ea. Dacă spațiul ar fi discret și ar avea o scală de lungime minimă, observatorii diferiți — adică oamenii care se deplasează cu viteze diferite — ar măsura acum o scală de lungime fundamentală diferită unul de celălalt!acest lucru sugerează cu tărie că ar exista un cadru de referință „privilegiat”, în care o anumită viteză prin spațiu ar avea lungimea maximă posibilă, în timp ce toate celelalte ar fi mai scurte., Aceasta implică faptul că ceva despre care credem în prezent că este fundamental, cum ar fi invarianța sau localitatea Lorentz, trebuie să fie greșit. În mod similar, timpul discretizat pune mari probleme Relativității Generale.
această ilustrație, de lumină care trece printr-o prismă dispersivă și separarea în clar definite… culori, este ceea ce se întâmplă atunci când mulți fotoni de energie medie-mare lovi un cristal. Dacă ar fi să aranjăm asta cu un singur foton, cantitatea pe care cristalul a mutat-o ar putea fi într-un număr discret de pași spațiali.,”
Wikimedia Commons user Spigget
totuși, poate exista de fapt o modalitate de a testa dacă există o scară de lungime mai mică sau nu. Cu trei ani înainte de a muri, fizicianul Jacob Bekenstein a prezentat o idee strălucită pentru un experiment. Dacă treceți un singur foton printr-un cristal, îl veți face să se miște cu o cantitate mică.deoarece fotonii pot fi reglați în energie (continuu), iar cristalele pot fi foarte masive în comparație cu impulsul unui foton, am putea detecta dacă cristalul se mișcă în „pași” discreți sau continuu., Cu fotoni cu energie suficientă, dacă spațiul este cuantificat, cristalul ar muta fie un singur pas cuantic, fie deloc.
Materialul spațiu-timp, ilustrat, cu valuri și deformări datorate masei. Cu toate acestea, chiar… deși există multe lucruri care se întâmplă în acest spațiu, nu trebuie să fie împărțită în quanta individuală în sine.,Observatorul gravitațional European, Lionel BRET/EUROLIOS
în prezent, nu există nicio modalitate de a prezice ce se va întâmpla pe scări de distanță mai mici de aproximativ 10-35 de metri și nici pe intervale de timp mai mici de aproximativ 10-43 de secunde. Aceste valori sunt stabilite de constantele fundamentale care guvernează universul nostru. În contextul relativității generale și al fizicii cuantice, nu putem merge mai departe decât aceste limite fără a obține prostii din ecuațiile noastre în schimbul problemelor noastre.,s-ar putea totuși ca o teorie cuantică a gravitației să dezvăluie proprietățile universului nostru dincolo de aceste limite sau că unele schimbări fundamentale de paradigmă privind natura spațiului și a timpului ne-ar putea arăta o nouă cale înainte. Dacă ne bazăm calculele pe ceea ce știm astăzi, totuși, nu există nicio modalitate de a merge sub scara Planck în ceea ce privește distanța sau timpul. S-ar putea să vină o revoluție pe acest front, dar indicatoarele nu ne-au arătat încă unde va avea loc.