Schwarze Löcher können unsere beste Option für die Erforschung von Quantengravitationseffekten sein, da der Raum sehr… in der Nähe der zentralen Singularität wird erwartet, dass diese Effekte am wichtigsten sind. Unterhalb einer bestimmten Entfernungsskala können wir das Universum jedoch auch theoretisch nicht genau beschreiben. Die Existenz einer kleinsten Entfernungsskala, bei der die Gesetze der Physik derzeit sinnvoll sind, ist für Physiker ein Rätsel, das noch zu lösen ist.

NASA/Ames Research Center/C., Henze

Wenn Sie verstehen wollen, wie unser Universum funktioniert, müssen Sie es auf einer fundamentalen Ebene untersuchen. Makroskopische Objekte bestehen aus Partikeln, die nur selbst auf subatomaren Skalen nachgewiesen werden können. Um die Eigenschaften des Universums zu untersuchen, müssen Sie die kleinsten Bestandteile auf kleinstmöglichen Skalen betrachten. Nur wenn wir verstehen, wie sie sich auf dieser grundlegenden Ebene verhalten, können wir hoffen zu verstehen, wie sie sich zusammenschließen, um das uns vertraute Universum im menschlichen Maßstab zu erschaffen.,

Aber Sie können das, was wir über das kleine Universum wissen, nicht auf beliebig kleine Entfernungsskalen extrapolieren. Wenn wir uns entscheiden, unter 10-35 Meter — die Planck-Entfernungsskala-zu fallen, geben unsere konventionellen Gesetze der Physik nur Unsinn für Antworten. Hier ist die Geschichte, warum wir unterhalb einer bestimmten Längenskala nichts physisch Bedeutsames sagen können.

Wir visualisieren den Raum oft als 3D-Raster,obwohl dies eine rahmenabhängige Vereinfachung darstellt… wir betrachten das Konzept der Raumzeit., Die Frage, ob Raum und Zeit diskret oder kontinuierlich sind und ob es eine kleinstmögliche Längenskala gibt, ist noch unbeantwortet. Wir wissen jedoch, dass wir unterhalb der Planck-Entfernungsskala überhaupt nichts genau vorhersagen können.

edia / Storyblocks

Stellen Sie sich, wenn Sie möchten, eines der klassischen Probleme der Quantenphysik vor: das Teilchen-in-a-Box. Stellen Sie sich ein beliebiges Teilchen vor und stellen Sie sich vor, es ist irgendwie auf ein bestimmtes kleines Raumvolumen beschränkt., Nun, in diesem Quantenspiel von Peek-a-Boo werden wir die einfachste Frage stellen, die Sie sich vorstellen können: „Wo ist dieses Teilchen?“

Sie können eine Messung durchführen, um die Position des Partikels zu bestimmen, und diese Messung gibt Ihnen eine Antwort. Mit dieser Messung ist jedoch eine inhärente Unsicherheit verbunden, bei der die Unsicherheit durch die Quanteneffekte der Natur verursacht wird.

Wie groß ist das Unsicherheit? Es bezieht sich sowohl auf ħ als auch auf L, wobei ħ die Konstante von Planck und L die Größe der Box ist.,

Dieses Diagramm veranschaulicht die inhärente Unsicherheitsbeziehung zwischen Position und Impuls. Wenn man… ist genauer bekannt, ist der andere von Natur aus weniger in der Lage, genau bekannt zu sein.

Wikimedia Commons User Maschen

Für die meisten Experimente, die wir durchführen, ist Plancks Konstante klein im Vergleich zu jeder tatsächlichen Entfernungsskala, die wir untersuchen können, und wenn wir also die Unsicherheit untersuchen, die wir bekommen — bezogen auf ħ und L — werden wir eine kleine inhärente Unsicherheit sehen.

Aber was ist, wenn L klein ist?, Was ist, wenn L so klein ist, dass es im Vergleich zu ħ entweder vergleichsweise groß oder sogar kleiner ist?

Hier können Sie sehen, dass das Problem auftritt. Diese Quantenkorrekturen, die in der Natur auftreten, entstehen nicht einfach, weil es den wichtigsten klassischen Effekt gibt, und dann entstehen Quantenkorrekturen der Ordnung ~ħ. Es gibt Korrekturen aller Bestellungen: ~ħ, ~ħ2, ~ħ3 usw., Es gibt eine bestimmte Längenskala, die als Planck-Länge bekannt ist, bei der, wenn Sie sie erreichen, die Begriffe höherer Ordnung (die wir normalerweise ignorieren) genauso wichtig oder sogar wichtiger werden als die Quantenkorrekturen, die wir normalerweise anwenden.

Die Energieniveaus und Elektronenwellenfunktionen, die verschiedenen Zuständen innerhalb eines Wasserstoffs entsprechen… atom, obwohl die Konfigurationen für alle Atome extrem ähnlich sind., Die Energieniveaus werden in Vielfachen der planckschen Konstante quantisiert, aber die Größen der Orbitale und Atome werden durch die Grundzustandsenergie und die Masse des Elektrons bestimmt. Zusätzliche Effekte können subtil sein, aber verschieben Sie die Energieniveaus in messbaren, quantifizierbare Moden. Beachten Sie, dass das vom Kern erzeugte Potential wie eine “ Box “ wirkt, die die physikalische Ausdehnung des Elektrons begrenzt, ähnlich wie beim Teilchen-in-a-Box-Gedankenexperiment.

PoorLeno von Wikimedia Commons

Was ist dann diese kritische Längenskala?, Die Planck-Skala wurde erstmals vor mehr als 100 Jahren vom Physiker Max Planck aufgestellt. Planck nahm die drei Konstanten der Natur:

  1. G, die Gravitationskonstante von Newtons und Einsteins Gravitationstheorien,
  2. ħ, Plancks Konstante oder die grundlegende Quantenkonstante der Natur und
  3. c, die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum,

und erkannte, dass Sie sie auf unterschiedliche Weise kombinieren können, um einen einzelnen Wert für die Masse, einen anderen Wert für die Zeit und einen anderen Wert für die Entfernung zu erhalten., Diese drei Größen sind bekannt als die Planck-Masse (die auf etwa 22 Mikrogramm kommt), die Planck-Zeit (etwa 10-43 Sekunden) und die Planck-Länge (etwa 10-35 Meter). Wenn Sie ein Teilchen in eine Box legen, die die Planck-Länge oder kleiner ist, wird die Unsicherheit in seiner Position größer als die Größe der Box.

Wenn Sie ein Teilchen auf einen Raum beschränken und versuchen, seine Eigenschaften zu messen, gibt es Quanten… effekte proportional zu Plancks Konstante und der Größe der Box., Wenn die Box sehr klein ist, unterhalb einer bestimmten Längenskala, werden diese Eigenschaften unmöglich zu berechnen.

Andy Nguyen / UT-Medical School in Houston

Aber die Geschichte enthält noch viel mehr. Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein Teilchen einer bestimmten Masse. Wenn Sie diese Masse in ein ausreichend kleines Volumen komprimieren, erhalten Sie ein Schwarzes Loch, genau wie bei jeder Masse. Wenn Sie die Planck — Masse — die durch die Kombination dieser drei Konstanten in Form von √(ħc/G) definiert ist-nehmen und diese Frage stellen würden, welche Art von Antwort würden Sie erhalten?,

Sie würden feststellen, dass das Raumvolumen, das Sie für diese Masse benötigten, eine Kugel wäre, deren Schwarzschild-Radius doppelt so lang ist wie die Planck-Länge. Wenn Sie fragen, wie lange es dauern würde, von einem Ende des Schwarzen Lochs zum anderen zu gelangen, beträgt die Zeitdauer das Vierfache der Planck-Zeit. Es ist kein Zufall, dass diese Mengen verwandt sind; das ist nicht überraschend. Aber was überraschend sein könnte, ist, was es bedeutet, wenn Sie Fragen über das Universum in diesen winzigen Entfernungen und Zeitskalen stellen.,

Die energie eines photons hängt von der wellenlänge es hat; längere wellenlänge sind niedriger in energie und… kürzere Wellenlängen sind höher. Im Prinzip gibt es keine Grenze, wie kurz eine Wellenlänge sein kann, aber es gibt andere physikalische Bedenken, die nicht ignoriert werden können.

Wikimedia Commons Benutzer maxhurtz

Um etwas auf der Planck-Skala zu messen, benötigen Sie ein Teilchen mit ausreichend hoher Energie, um es zu untersuchen., Die Energie eines Teilchens entspricht einer Wellenlänge (entweder einer Photonenwellenlänge für Licht oder einer De-Broglie-Wellenlänge für Materie), und um zu Planck-Längen zu gelangen, benötigen Sie ein Teilchen mit der Planck-Energie: ~1019 GeV oder ungefähr eine Billiarde Mal größer als die maximale LHC-Energie.

Wenn Sie ein Teilchen hätten, das diese Energie tatsächlich erreicht hätte, wäre sein Impuls so groß, dass die Energie-Impuls-Unsicherheit dieses Teilchen nicht von einem Schwarzen Loch unterscheiden würde. Dies ist wirklich die Skala, in der unsere Gesetze der Physik brechen.,

Der simulierte Zerfall eines Schwarzen Lochs führt nicht nur zur Emission von Strahlung, sondern auch zum Zerfall von… die zentrale umlaufende Masse, die die meisten Objekte stabil hält. Schwarze Löcher sind keine statischen Objekte, sondern verändern sich mit der Zeit. Für die schwarzen Löcher mit der niedrigsten Masse geschieht die Verdampfung am schnellsten.

EU Kommunizieren Wissenschaft

Wenn Sie die situation untersuchen im detail, es wird nur schlimmer., Wenn Sie anfangen, über Quantenfluktuationen nachzudenken, die dem Raum (oder der Raumzeit) selbst innewohnen, werden Sie sich daran erinnern, dass es auch eine Energie-Zeit-Unsicherheitsbeziehung gibt. Je kleiner die Entfernungsskala ist, desto kleiner ist die entsprechende Zeitskala, was eine größere Energieunsicherheit impliziert.

Auf der Planck-Entfernungsskala impliziert dies das Auftreten von Schwarzen Löchern und Wurmlöchern im Quantenmaßstab, die wir nicht untersuchen können. Wenn Sie Kollisionen mit höherer Energie durchführen würden, würden Sie einfach Schwarze Löcher mit größerer Masse (und größerer Größe) erzeugen, die dann über Hawking-Strahlung verdampfen würden.,

Eine Illustration des Konzepts der Quantenschaum, wo Quantenfluktuationen sind groß, vielfältig, und… wichtig auf der kleinsten Waage. Die dem Raum innewohnende Energie schwankt auf diesen Skalen in großen Mengen. Wenn Sie Skalen betrachten, die klein genug sind, wie z. B. die Annäherung an die Planck-Skala, werden die Schwankungen groß genug, dass sie spontan Schwarze Löcher erzeugen.

CXC/M. Weiss

Sie könnten argumentieren, dass wir vielleicht deshalb die Quantengravitation brauchen., Wenn Sie die Quantenregeln, die wir kennen, nehmen und sie auf das Gesetz der Schwerkraft anwenden, das wir kennen, wird einfach eine grundlegende Inkompatibilität zwischen Quantenphysik und Allgemeiner Relativitätstheorie hervorgehoben. Aber es ist nicht so einfach.

Energie ist Energie,und wir wissen, dass sie den Raum krümmt. Wenn Sie versuchen, quantenfeldtheoretische Berechnungen auf oder nahe der Planck-Skala durchzuführen, wissen Sie nicht mehr, in welcher Art von Raumzeit Ihre Berechnungen durchgeführt werden sollen. Selbst in der Quantenelektrodynamik oder Quantenchromodynamik können wir die Hintergrundraumzeit, in der diese Teilchen existieren, als flach behandeln., Selbst um ein Schwarzes Loch herum können wir eine bekannte räumliche Geometrie verwenden. Aber bei dieser ultraintensiven Energie ist die Krümmung des Raumes unbekannt. Wir können nichts Sinnvolles berechnen.

Die Quantengravitation versucht Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu verbinden…. Quantenkorrekturen zur klassischen Schwerkraft werden als Schleifendiagramme visualisiert, wie hier in Weiß dargestellt., Ob Raum (oder Zeit) selbst diskret oder kontinuierlich ist, ist noch nicht entschieden, ebenso wie die Frage, ob die Schwerkraft überhaupt quantisiert wird oder ob Teilchen, wie wir sie heute kennen, grundlegend sind oder nicht. Aber wenn wir auf eine grundlegende Theorie von allem hoffen, muss sie quantisierte Felder enthalten.

SLAC National Accelerator Lab

Bei ausreichend hohen Energien oder (gleichwertig) bei ausreichend kleinen Entfernungen oder kurzen Zeiten brechen unsere aktuellen Gesetze der Physik zusammen., Die Hintergrundkrümmung des Raums, mit der wir Quantenberechnungen durchführen, ist unzuverlässig, und die Unsicherheitsbeziehung stellt sicher, dass unsere Unsicherheit größer ist als jede Vorhersage, die wir machen können. Die Physik, die wir kennen, kann nicht mehr angewendet werden, und das meinen wir, wenn wir sagen, dass „die Gesetze der Physik brechen.“

Aber es könnte einen Ausweg aus diesem Rätsel. Es gibt eine Idee, die schon lange herumschwebt — seit Heisenberg tatsächlich—, die eine Lösung bieten könnte: Vielleicht gibt es eine grundsätzlich minimale Längenskala für den Raum selbst.,

Eine Darstellung von flachen, leeren Raum mit egal, Energie oder Krümmung jeglicher Art. Wenn dieser Raum… ist grundsätzlich diskret, was bedeutet, dass es eine minimale Längenskala für das Universum gibt, sollten wir in der Lage sein, ein Experiment zu entwerfen, das zumindest theoretisch dieses Verhalten zeigt.

Amber Stuver aus ihrem Blog Living Ligo

Natürlich würde eine endliche, minimale Längenskala ihre eigenen Probleme verursachen., In Einsteins Relativitätstheorie können Sie überall ein imaginäres Lineal ablegen, das sich basierend auf der Geschwindigkeit, mit der Sie sich relativ dazu bewegen, zu verkürzen scheint. Wenn der Raum diskret wäre und eine minimale Längenskala hätte, würden verschiedene Beobachter — dh Menschen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen — jetzt eine andere grundlegende Längenskala voneinander messen!

Das deutet stark darauf hin, dass es einen „privilegierten“ Bezugsrahmen geben würde, in dem eine bestimmte Geschwindigkeit durch den Raum die maximal mögliche Länge haben würde, während alle anderen kürzer wären., Dies impliziert, dass etwas, das wir derzeit für grundlegend halten, wie Lorentz-Invarianz oder Lokalität, falsch sein muss. In ähnlicher Weise stellt die diskretisierte Zeit große Probleme für die allgemeine Relativitätstheorie dar.

Diese abbildung, von licht durch eine dispersive prisma und trennung in klar definiert… farben, ist das, was passiert, wenn viele Photonen mittlerer bis hoher Energie auf einen Kristall treffen. Wenn wir dies mit nur einem einzigen Photon einrichten würden, könnte die Menge, die der Kristall bewegte, in einer diskreten Anzahl von räumlichen Schritten liegen.,‘

Wikimedia Commons Benutzer Spigget

Dennoch kann es tatsächlich eine Möglichkeit geben, zu testen, ob es eine kleinste Längenskala gibt oder nicht. Drei Jahre vor seinem Tod brachte der Physiker Jacob Bekenstein eine brillante Idee für ein Experiment auf. Wenn Sie ein einzelnes Photon durch einen Kristall leiten, bewirkt dies, dass es sich leicht bewegt.

Da Photonen in Energie (kontinuierlich) abgestimmt werden können und Kristalle im Vergleich zum Impuls eines Photons sehr massiv sein können, können wir feststellen, ob sich der Kristall in diskreten „Schritten“ oder kontinuierlich bewegt., Bei Photonen mit geringer Energie würde der Kristall, wenn der Raum quantisiert wird, entweder einen einzelnen Quantenschritt oder gar nicht bewegen.

Der Stoff der Raumzeit, illustriert, mit Wellen und Verformungen aufgrund von Masse. Allerdings sogar… obwohl in diesem Raum viele Dinge passieren, muss er nicht in einzelne Quanten selbst zerlegt werden.,

Europäisches Gravitationsobservatorium, Lionel BRET / EUROLIOS

Derzeit gibt es keine Möglichkeit vorherzusagen, was auf Entfernungsskalen passieren wird, die kleiner als etwa 10-35 Meter sind, noch auf Zeitskalen, die kleiner als etwa 10-43 Sekunden sind. Diese Werte werden durch die Grundkonstanten festgelegt, die unser Universum regieren. Im Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie und Quantenphysik können wir nicht weiter als diese Grenzen gehen, ohne Unsinn aus unseren Gleichungen als Gegenleistung für unsere Probleme herauszuholen.,

Es mag noch so sein, dass eine Quantentheorie der Schwerkraft Eigenschaften unseres Universums jenseits dieser Grenzen offenbaren wird oder dass einige grundlegende Paradigmenwechsel in Bezug auf die Natur von Raum und Zeit uns einen neuen Weg nach vorne zeigen könnten. Wenn wir unsere Berechnungen auf das stützen, was wir heute wissen, gibt es jedoch keine Möglichkeit, die Planck-Skala in Bezug auf Entfernung oder Zeit zu unterschreiten. Es mag eine Revolution an dieser Front geben, aber die Wegweiser müssen uns noch zeigen, wo sie stattfinden wird.