svarta hål kan vara vårt bästa alternativ för att utforska quantum gravitationseffekter, som utrymmet mycket… nära den centrala singulariteten är där dessa effekter förväntas vara viktigast. Men under en viss avståndsskala kan vi inte exakt beskriva universum, även i teorin. Förekomsten av en minsta avståndsskala där fysikens lagar för närvarande är meningsfulla är ett pussel som ännu inte är löst för fysiker.

NASA/Ames Research Center/C., Henze

om du ville förstå hur vårt universum fungerar måste du undersöka det på en grundläggande nivå. Makroskopiska föremål består av partiklar, som bara kan detekteras genom att gå till subatomiska skalor. För att undersöka universums egenskaper måste du titta på de minsta beståndsdelarna på minsta möjliga skalor. Bara genom att förstå hur de beter sig på denna grundläggande nivå kan vi hoppas att förstå hur de förenar sig för att skapa det mänskliga Skaluniversum vi känner till.,

men du kan inte extrapolera vad vi vet om även det småskaliga universum till godtyckligt små avståndsskalor. Om vi bestämmer oss för att gå ner till under ca 10-35 meter-Planck distansskalan-ger våra konventionella fysiklagar bara nonsens för svar. Här är historien om varför, under en viss längd skala, vi kan inte säga något fysiskt meningsfullt.

vi visualiserar ofta utrymme som ett 3D-rutnät, även om detta är en ramberoende förenkling när… vi betraktar begreppet rymdtid., Frågan om utrymme och tid är diskreta eller kontinuerliga, och om det finns en minsta möjliga längdskala, är fortfarande obesvarad. Men vi vet att under Planck distansskalan kan vi inte förutsäga någonting med någon noggrannhet alls.

ReunMedia/Storyblocks

Föreställ dig, om du vill, ett av de klassiska problemen med kvantfysik: partikel-i-A-box. Föreställ dig vilken partikel du vill, och föreställ dig att det på något sätt är begränsat till en viss liten volym utrymme., Nu, i detta kvantspel av peek-A-boo, kommer vi att fråga den enklaste frågan du kan tänka dig: ”Var är den här partikeln?”

Du kan göra en mätning för att bestämma partikelns position, och den mätningen ger dig ett svar. Men det kommer att finnas en inneboende osäkerhet i samband med den mätningen, där osäkerheten orsakas av naturens kvanteffekter.

hur stor är den osäkerheten? Det är relaterat till både Mur och l, där mur är Plancks konstant och L är storleken på lådan.,

detta diagram visar den inneboende osäkerhetsrelationen mellan position och momentum. När en… är känt mer exakt, den andra är i sig mindre känd exakt.

Wikimedia Commons användar Maschen

För de flesta av de experiment vi utför är Plancks konstant liten jämfört med någon verklig avståndsskala som vi kan sondera, och så när vi undersöker den osäkerhet vi får — relaterade till både och l — ser vi en liten inneboende osäkerhet.

men vad händer om L är liten?, Vad händer om jag är så liten att den, i förhållande till rights, antingen är jämförelsevis stor eller ännu mindre?

det är här du kan se att problemet börjar uppstå. Dessa kvantkorrigeringar som uppstår i naturen uppstår inte bara för att det finns den viktigaste, klassiska effekten, och sedan finns det kvantkorrigeringar av order ~som uppstår. Det finns korrigeringar av alla order:~,,,,,,, och så vidare., Det finns en viss längdskala, känd som Plancklängden, där om du når den blir de högre ordervillkoren (som vi vanligtvis ignorerar) lika viktiga som, eller ännu viktigare än, de kvantkorrigeringar vi normalt tillämpar.

energinivåerna och elektronvågfunktionerna som motsvarar olika tillstånd inom ett väte… atom, även om konfigurationerna är extremt lika för alla atomer., Energinivåerna kvantifieras i multiplar av Plancks konstant, men storleken på orbitalerna och atomerna bestäms av markstatenergin och elektronens massa. Ytterligare effekter kan vara subtila, men flytta energinivåerna i mätbara, kvantifierbara mode. Observera att potentialen som skapas av kärnan fungerar som en ”låda” som begränsar elektronens fysiska utsträckning, som liknar partikel-i-A-box-tankeexperimentet.

PoorLeno av Wikimedia Commons

vad är den kritiska längdskalan, då?, Planckskalan lades först fram av fysikern Max Planck för mer än 100 år sedan. Planck tog de tre konstanterna av naturen:

  1. g, gravitationskonstanten för Newtons och Einsteins gravitationsteorier,
  2. , Plancks konstant eller naturens grundläggande kvantkonstant och
  3. C, ljusets hastighet i vakuum,

och insåg att du kunde kombinera dem på olika sätt för att få ett enda värde för massa, ett annat värde för tiden och ett annat värde för avstånd., Dessa tre kvantiteter är kända som Planckmassan (som kommer ut till ca 22 mikrogram), Plancktiden (ca 10-43 sekunder) och Plancklängden (ca 10-35 meter). Om du lägger en partikel i en låda som är Plancklängden eller mindre blir osäkerheten i sin position större än boxens storlek.

om du begränsar en partikel till ett utrymme och försöker mäta dess egenskaper kommer det att finnas kvant… effekter proportionella mot Plancks konstant och storleken på lådan., Om lådan är mycket liten, under en viss längdskala, blir dessa egenskaper omöjliga att beräkna.

Andy Nguyen/UT-Medical School vid Houston

men det finns mycket mer att historien än så. Tänk dig att du hade en partikel av en viss massa. Om du komprimerade massan ner i en tillräckligt liten volym, skulle du få ett svart hål, precis som du skulle för vilken massa som helst. Om du tog Planckmassan-som definieras av kombinationen av dessa tre konstanter i form av √(C/G) – och ställde den frågan, vilken typ av svar skulle du få?,

du skulle upptäcka att volymen av utrymme du behövde att massan att ockupera skulle vara en sfär vars Schwarzschild radie är dubbelt Planck längd. Om du frågade hur lång tid det skulle ta att korsa från ena änden av det svarta hålet till det andra, är tiden fyra gånger Planck-tiden. Det är ingen slump att dessa kvantiteter är relaterade; Det är otroligt. Men vad som kan vara överraskande är vad det innebär När du börjar ställa frågor om universum på dessa små avstånd och tidsskalor.,

energin hos en foton beror på våglängden den har; längre våglängd är lägre i energi och… kortare våglängder är högre. I princip finns det ingen gräns för hur kort en våglängd kan vara, men det finns andra fysikproblem som inte kan ignoreras.

Wikimedia Commons-användare maxhurtz

För att mäta allt på Planck-skalan behöver du en partikel med tillräckligt hög energi för att sondera den., Energin hos en partikel motsvarar en våglängd (antingen en fotonvåglängd för ljus eller en de Broglie våglängd för Materia), och för att komma ner till Plancklängder behöver du en partikel vid Planck-energin: ~1019 GeV eller ungefär en quadrillion gånger större än den maximala LHC-energin.

om du hade en partikel som faktiskt uppnådde den energin, skulle dess momentum vara så stor att energi-momentosäkerheten skulle göra den partikeln oskiljbar från ett svart hål. Detta är verkligen den skala som våra fysiklagar bryter ner.,

det simulerade sönderfallet av ett svart hål resulterar inte bara i utsläpp av strålning, men sönderfallet av… den centrala omloppsbana massan som håller de flesta objekt stabila. Svarta hål är inte statiska föremål, utan förändras över tiden. För de lägsta mass svarta hålen sker förångning snabbast.

EU: s kommunikation vetenskap

När du undersöker situationen mer detaljerat blir det bara värre., Om du börjar tänka på kvantfluktuationer som är inneboende i rymden (eller rymdtiden) själv, kommer du ihåg att det också finns en energitidsosäkerhetsrelation. Ju mindre avståndsskalan desto mindre är motsvarande tidsskala, vilket innebär en större energiosäkerhet.

Vid Planck-avståndsskalan innebär detta utseendet på svarta hål och kvantskaliga maskhål, vilket vi inte kan undersöka. Om du utförde högre energikollisioner skulle du helt enkelt skapa större massa (och större storlek) svarta hål, vilket sedan skulle förångas via Hawking-strålning.,

en illustration av begreppet kvantskum, där kvantvariationer är stora, varierade och… viktigt på den minsta av skalorna. Energin som är inneboende för rymden fluktuerar i stora mängder på dessa skalor. Om du ser skalor som är tillräckligt små, som att närma sig Planckskalan, blir fluktuationerna tillräckligt stora för att de skapar svarta hål spontant.

NASA/CXC/M. Weiss

Du kan hävda att det kanske är därför vi behöver kvantgravitation., Att när du tar kvantreglerna vi känner till och tillämpar dem på gravitationslagen vi känner till, belyser detta helt enkelt en grundläggande inkompatibilitet mellan kvantfysik och allmän relativitet. Men det är inte så enkelt.

energi är energi, och vi vet att det orsakar utrymme att kurva. Om du börjar försöka utföra kvantfältteoriberäkningar vid eller nära Planck-skalan, vet du inte längre vilken typ av rymdtid du ska utföra dina beräkningar i. Även i kvantelektrodynamik eller kvantkromodynamik kan vi behandla bakgrundsrymden där dessa partiklar finns för att vara platta., Även runt ett svart hål kan vi använda en känd rumslig geometri. Men vid denna ultraintensiva energi är rymdens krökning okänd. Vi kan inte beräkna något meningsfullt.

Quantum gravity försöker kombinera Einsteins allmänna relativitetsteori med kvantmekanik…. Kvantkorrigeringar till klassisk gravitation visualiseras som slingdiagram, som den som visas här i vitt., Huruvida rymden (eller tiden) själv är diskret eller kontinuerlig är ännu inte bestämt, liksom frågan om gravitationen är kvantifierad alls, eller partiklar, som vi känner dem idag, är grundläggande eller inte. Men om vi hoppas på en grundläggande teori om allt, måste det innehålla kvantifierade fält.

SLAC National Accelerator Lab

vid energier som är tillräckligt höga eller (likvärdigt) på tillräckligt små avstånd eller korta tider bryts våra nuvarande fysiklagar ner., Bakgrundskurvaturen i rymden som vi använder för att utföra kvantberäkningar är opålitlig, och osäkerhetsrelationen säkerställer att vår osäkerhet är större i storlek än någon förutsägelse vi kan göra. Den fysik som vi känner kan inte längre tillämpas, och det är vad vi menar när vi säger att ” fysikens lagar bryts ner.”

men det kan finnas en väg ut ur denna gåta. Det finns en idé som har flutit runt länge – sedan Heisenberg faktiskt-som kan ge en lösning: kanske finns det en fundamentalt minimal längdskala för rymden själv.,

en representation av platt, tomt utrymme med oavsett energi eller krökning av någon typ. Om detta utrymme… är fundamentalt diskret, vilket innebär att det finns en minsta längd skala till universum, vi borde kunna utforma ett experiment som åtminstone i teorin visar det beteendet.

Amber Stuver, från sin blogg, Living Ligo

naturligtvis skulle en ändlig, minsta längd skala skapa sin egen uppsättning problem., I Einsteins relativitetsteori kan du lägga ner en imaginär linjal, var som helst, och det verkar förkorta baserat på den hastighet du rör dig i förhållande till den. Om utrymmet var diskret och hade en minsta längd skala, skulle olika observatörer — dvs. personer som rör sig på olika hastigheter — nu mäta en annan grundläggande längd skala från varandra!

det tyder starkt på att det skulle finnas en ”privilegierad” referensram, där en viss hastighet genom rymden skulle ha maximal möjlig längd, medan alla andra skulle vara kortare., Detta innebär att något som vi för närvarande tycker är grundläggande, som Lorentz invariance eller ort, måste vara fel. På samma sätt innebär diskret tid stora problem för allmän relativitet.

denna illustration, av ljus som passerar genom ett dispersivt prisma och separerar till tydligt definierade… färger, är vad som händer när många medelhög till hög energi fotoner slå en kristall. Om vi skulle ställa in detta med bara en enda foton, kan mängden kristallen flyttas vara i ett diskret antal rumsliga steg.,’

Wikimedia Commons user Spigget

det kan fortfarande finnas ett sätt att testa om det finns en minsta längdskala eller inte. Tre år innan han dog, fysiker Jacob Bekenstein lagt fram en lysande idé för ett experiment. Om du passerar en enda foton genom en kristall, kommer du att få den att röra sig med en liten mängd.

eftersom fotoner kan ställas in i energi (kontinuerligt) och kristaller kan vara mycket massiva jämfört med en fotons momentum, kunde vi upptäcka om kristallen rör sig i diskreta ”steg” eller kontinuerligt., Med tillräckligt låga energifotoner, om utrymmet kvantifieras, skulle kristallen antingen flytta ett enda kvantsteg eller inte alls.

tyget i rumtiden, illustrerat, med krusningar och deformationer på grund av massa. Men även… även om det finns många saker som händer i detta utrymme, behöver det inte delas upp i enskilda quanta själv.,

European Gravitational Observatory, Lionel BRET / EUROLIOS

för närvarande finns det inget sätt att förutsäga vad som kommer att hända på avståndsskalor som är mindre än ca 10-35 meter, eller på tidsskalor som är mindre än ca 10-43 sekunder. Dessa värden bestäms av de grundläggande konstanter som styr vårt universum. I samband med allmän relativitet och kvantfysik kan vi inte gå längre än dessa gränser utan att få nonsens ur våra ekvationer i gengäld för våra problem.,

det kan ännu vara så att en kvantteori om gravitation kommer att avslöja egenskaper hos vårt universum bortom dessa gränser, eller att vissa grundläggande paradigmskiftningar om rymdens och tidens natur kan visa oss en ny väg framåt. Om vi baserar våra beräkningar på vad vi vet idag finns det dock inget sätt att gå under Planckskalan när det gäller avstånd eller tid. Det kan komma en revolution på den här fronten, men skyltarna har ännu inte visat oss var det kommer att ske.