Планковская длина и планковское время: хранители тайн Вселенной — Naked Science
6 марта
14 минут
Редакция
7

Планковская длина и планковское время: хранители тайн Вселенной

За последние 100 лет физики построили точные и действенные теории о Вселенной — от самого маленького до самого большого. Однако есть масштабы, на которых все эти теории не работают и которые хранят самые большие тайны о законах природы.

1-artwork-conceptualising-quantum-foam-mark-garlick1

Мы привыкли жить в мире крупных, макроскопических вещей. Все, с чем сталкивается обычный человек в течение дня — от чашки кофе с утра до огромного огненного шара в небе под названием Солнце, — вещи, которые мы можем либо видеть, либо осязать. Однако еще в Древней Греции философы, в частности Демокрит и его учитель Левкипп, предположили, что все состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов (в переводе с греческого буквально означает «неделимый»).

 

Со временем был открыт атом, а затем и его свойство, что он вовсе не неделимый, а состоит из ядра и вращающегося вокруг него электрона. Затем выяснилось, что и ядро состоит из протонов и нейтронов. Еще позже были открыты кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер. Эти миниатюрные частицы называют элементарными. Помимо кварков, среди элементарных частиц есть уже упомянутые электроны, бозоны, нейтрино и фотоны. Все они считаются теми самыми древнегреческими «атомами» — неделимыми.

 

В 1899 году (в некоторых источниках — в 1900-м) немецкий физик и по совместительству основоположник квантовой теории Макс Планк предложил особую меру измерения — планковские единицы. Это единицы, предназначенные для упрощения определенных алгебраических выражений, присутствующих в теоретической физике, в частности в квантовой механике. В число их входят такие фундаментальные единицы, как планковская масса, планковская температура, планковская длина и планковское время. В этом материале мы рассмотрим планковскую длину и планковское время и попробуем сделать это наиболее понятным способом, без сложных математических выкладок (хотя некоторые формулы нам понадобятся).  

 

Как вы уже знаете, физика занимается изучением не только огромных космических структур вроде галактик и туманностей, но и невероятно маленькими явлениями на атомном и субатомном масштабах. Однако существует еще одна реальность в масштабах, которые намного меньше того, что науке удалось изучать. На этом уровне есть величина, настолько сильно выходящая за рамки традиционного понимания «маленького», что ее тяжело представить. Это планковская длина — она в 1020 раз меньше диаметра ядра атома водорода. Предполагается (или, точнее сказать, подозревается), что именно на этом уровне формируется «пена» пространства-времени. Чтобы осознать, о какой величине идет речь, можно заглянуть в анимацию «Масштаб Вселенной» по этой ссылке.

 

И все же о каких размерах идет речь? Планковская длина составляет всего 1,616 х 10-35 метра. Вычислить ее можно при помощи уравнения, включающего в себя целых три фундаментальные константы — постоянную Планка (6,6261 х 10-34), скорость света в вакууме (2,29979 х 108 м/с) и гравитационную постоянную (6,6738 х 10-11):

 

lP = √ħG/c3

 

Впервые Макс Планк пришел к этой примечательной единице после работы над излучением черного тела и квантовой механики. Вероятно, вы слышали, что это самая малая возможная длина.

 

Тут, как и в случае с древнегреческой концепцией атома, можно сказать: «Конечно, если у меня есть некая длина и я разделяю ее пополам, а затем повторяю это снова и снова, я буду получать все меньшие и меньшие значения». Однако мы говорим о масштабах, на которых физика уже не способна делать то же, что и математика. Один из самых ярких примеров таких невозможностей — движение со сверхсветовой скоростью. То есть на бумаге вы можете применить к массе силу и ускорить ее до скорости света и выше, но нам известно, что в природе это попросту физически невозможно, поскольку масса объекта (а значит, и энергия, необходимая для его ускорения) возрастает бесконечно. Получается, мы не способны осуществить в реальности все, что можем сделать на бумаге.

 

Теория струн предсказывает существование струн, составляющих все элементарные частицы, именно в масштабах планковской длины / © Universe Review

 

Итак, каким образом такая малая величина вписывается в физику? Если две частицы разделены планковской длиной или еще меньшим расстоянием, то невозможно определить позиции каждой из них. Более того, любые эффекты квантовой гравитации на этом масштабе (если они вообще есть) неизвестны науке, так как там само пространство не определено должным образом. В некотором смысле можно сказать: даже если бы мы разработали методы измерений, способные «заглянуть» в эти масштабы, мы никогда не смогли бы измерить что-либо меньшее, вне зависимости от дальнейшего совершенствования наших методов и оборудования.

 

Согласно стандартной космологической модели Вселенная родилась в результате Большого взрыва, начавшегося в бесконечно плотной точке. Особенно интересно то, что физики и космологи не имеют ни малейшего понятия, какие законы физики господствовали во Вселенной, прежде чем она превысила по своим размерам планковскую длину, так как еще нет подтвержденной теории квантовой гравитации. Тем не менее эта единица оказалась полезной во множестве разных уравнений, которые помогли вычислить и исследовать некоторые из самых главных тайн Вселенной.

 

Например, планковская длина — ключевой компонент в уравнении Бекенштейна и Хокинга для расчета энтропии черной дыры. Струнные теоретики считают, что именно на этом масштабе существуют «вибрирующие» струны, из которых состоят элементарные частицы Стандартной модели. Вне зависимости от того, верна теория струн или нет, с уверенностью можно сказать одно: в поиске объединенной теории всего понимание планковской длины и связанной с ней физики сыграет ключевую роль.

 

Самые первые моменты существования Вселенной в космологии называют планковской эпохой / © University of Illinois 

 

А что насчет планковского времени? Если в двух словах, то планковское время — это время, за которое свет в вакууме проходит планковскую длину. Следовательно, эти две величины связаны между собой. Любопытно, что для вычисления планковского времени необходимы постоянная Планка, гравитационная постоянная и скорость света в вакууме. Точное значение планковского времени — 5,391 х 10-44 секунд, а вычисляется оно по формуле: 

 

tP = √ħG/c5

 

Планковское время также называют квантом времени — самым малым значением времени, имеющим какое-то фактическое значение. Меньшие значения времени не имеют никакого смысла. Возвращаясь к теоретическим гипотезам, струнные теоретики предполагают, что струны размером в планковскую длину вибрируют с периодичностью, соответствующей планковскому времени. В 2003 году при анализе снимков Deep Field с телескопа «Хаббл» некоторые ученые высказали предположения, что если бы на планковском масштабе присутствовали флуктуации пространства-времени, то изображения очень далеких объектов были бы размытыми. Снимки «Хаббла», как они утверждали, были слишком точными, что, по мнению специалистов, ставило под сомнение концепцию планковских масштабов. Другие представители научного сообщества не согласились с этим предположением, отметив, что такие флуктуации были бы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать. Кроме того, было высказано предположение, что ожидаемая размытость была устранена большими размерами объектов на снимках.

 

Снимок Hubble Ultra-Deep Field / © NASA/ESA/R. THOMPSON

 

Итак, планковская длина и связанное с ней планковское время определяют масштабы, на которых современные физические теории перестают работать. Вся геометрия пространства-времени, предсказанная Общей теорией относительности, перестает иметь всякий смысл. Эти масштабы хранят еще неоткрытую теорию, объединяющую Общую теорию относительности и квантовую механику, которая сможет наиболее полно описать законы физики. В сущности говоря, именно по этой причине современные описания развития Вселенной начинаются только спустя 5,391 х 10-44 секунд после Большого взрыва, когда Вселенная была размером 1,616 х 10-35 метров.

 

Позавчера, 19:17
4 минуты
Илья Ведмеденко

Эксперты измерили радиолокационную заметность нового шведского корвета типа «Висбю»: она оказалась чрезвычайно малой.

Вчера, 14:50
3 минуты
Денис Гордеев

Меняющаяся структура глобального рынка автомобилей приведет к массовым сокращениям.

Позавчера, 10:27
24 минуты
Редакция

Конспирологические теории давно вышли за пределы камерных форумов в Сети и разговоров на кухнях – сегодня о них можно прочитать в газетах и услышать по ТВ. Их сторонники считают, что Земля плоская, первые лица государств – инопланетяне-рептилоиды, а ВИЧ выдумали фармакологические компании. Разберемся, какие особенности нашего восприятия делают конспирологию такой привлекательной и может ли вера в мировой заговор нанести реальный ущерб.

4 декабря
39 минут
Александр Березин

В 2017 году от рака умерло 9,6 миллиона человек, и с каждым годом эта цифра будет расти. Есть ли способы остановить наступление этой болезни на человеческие жизни?

Позавчера, 19:17
4 минуты
Илья Ведмеденко

Эксперты измерили радиолокационную заметность нового шведского корвета типа «Висбю»: она оказалась чрезвычайно малой.

4 декабря
2 минуты
Илья Ведмеденко

По мнению информаторов Центрального разведывательного управления США, СССР мог располагать огромным танком массой в 120 тонн.

15 ноября
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

18 ноября
4 минуты
Сергей Васильев

Накопление эпигенетических модификаций ДНК позволило провести параллели между возрастом собак и людей и найти новую формулу для пересчета одного в другой.

4 декабря
39 минут
Александр Березин

В 2017 году от рака умерло 9,6 миллиона человек, и с каждым годом эта цифра будет расти. Есть ли способы остановить наступление этой болезни на человеческие жизни?

[miniorange_social_login]

Комментарии

7 Комментариев

Alex Zb
17:13
-
0
+
Предлагаю считать планковский переход в нирвану, мир чистой информации, где все суще
Анатолий Тихвинский
17:13
-
0
+
мое мнение: Самый край Времени, после которого заканчивается действие (влияние) Массы в Пространстве; или с которого только начинается действие (влияние) Массы в Пространстве — называют Планковским временем. Это самая ничтожно малая величина Времени, которая только может быть. Это барьер, после которого частица массы становиться волной и наоборот. Этот барьер также можно назвать и Планковским пространством. Масса, Энергия и Пространство, очень тесно связанные и зависимые друг от друга величины. Пространства свободного от Массы или Энергии не существует и наоборот. Спасибо
Valdemar Nachtigal
17:13
-
0
+
Теории, теории, теории... ничего больше. Меня одного удивило что видео "Масштаб Вселенной" по ссылке, на каких угодно языках вплоть до хохляцкого, но только не на русском.
17:13
0
... Правильно, Слава! Эфир Мироздания, как точечно-энергетическая субстанция безмассовых частиц макроуровня окончательного распада атома водорода, характеризующаяся материальными свойствами потенциальной разницей энергетической вертикали распада, априори ЕДИНОЙ системы связи точек энерго-статической "пены"/субстанции разных пост-квантовых частиц между собой, как я полагаю... Опыты М.Ломоносова красноречиво это подтверждают... О разнице зарядов, например, двух пластин, можно говорить при условии приложения к ним источника генерации энергии, да и то, как я полагаю, как о накоплении энергии заряда от источника, для передачи через функцию РАЗРЯДА по т.н. комплексной СРЕДЕ, в сочетании квадрата сечения проводника по слою той же конфигурации ЭФИРА, облегающий оный, от одной приложенной энергии точки к другой. Поскольку о ЗАРЯДЕ можно говорить ТОЛЬКО при наличии некой ЕМКОСТИ, при условии приложенной к ней энергии и её свойств - физической способности накопления оной и РАЗРЯДУ по RC комбинации, при максимально-допустимом заряде. Как мне кажется... В.А.
17:13
0
https://zen.yandex.ru/media/id/5bb63eeec626f000b848090f/5c40d9559e0178e9c8672403?from=feed&utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yandex.com&rid=2720170819.315.1553073208142.40920 Прекрасная аналогия субстанции ЭФИРА Мироздания! P.S. Выше показана натуральная демонстрация в подобии состояния "пены! СУБСТАНЦИИ ЭФИРА Мироздания, состоящая из невидимых безмассовых пост-квантовых макро-энергетических частиц, внутри которой размещена шарообразность Большой Вселенной, внутри которой - бесчисленное количество Малых! Как наглядная интерпретации космологического устройства, только в виде "ЧИСТОГО" ЭФИРА Мироздания, ЗА оболочкой Большой Вселенной, без материального пяти-процентного вещественного присутствия СРЕДЫ Малых Вселенных! Примите эту аналогию как ЭФИР/"пену" субстанции - "БИСЕР", потенциальная энергия квантовых и пост-квантовых частиц которых, связанных вектор-энергетически! Т.е. - в "пене"/"БИСЕРЕ", в котором размещена Большая Вселенная, а внутри оной - бесчисленное количество Малых Вселенных! Гипотетически... P.P.S. Посмотрев этот пример, можно легко представить квантовую и пост-квантовую сущность субстанции ЭФИРА Мироздания - потенциально-энергетическую организацию квантовых и пост-квантовых частиц по картине "бисер-пены", в интерпретации безмассовых частиц темной энергии и материи, комплексная векторность которой - СИЛА "F" и обеспечивает космологический порядок в Большой и Малых Вселенных, исключающая ХАОС, поскольку пронизывает всё сущее в Мироздании. Как я полагаю... В.А.
17:13
0
Как я полагаю, Субстанция ЭФИРА Мироздания обретает шарообразность ТОЛЬКО с визуализацией совмещённого ТРОЙНОГО центра по водородной оболочке Большой Вселенной, после "рождения" первого атома водорода, как следствие работы сил ГЛОБАЛЬНОГО ВИХРЯ Мироздания, который, по своему образу и подобию провоцирует вихре-образность и в Большой Вселенной и внутри оболочек Малых Вселенных, включая подобные завихрения воздушных потоков на Земле, океане, и в магматических объёмах внутри каждой из неостывших планет СС. ... Я так понимаю, что ты должен был понять, что водородная оболочка Вселенной (условно), как я предполагаю, состоит из, со стороны СРЕДЫ Вселенной, - из атомов водорода, переходящая в слой частиц распада атомов водорода, в продолжении электронно-протонного слоя, к стерильной субстанции ЭФИРА Мироздания - квантовых, а затем пост-квантовых безмассовых частиц к стерильной СУБСТАНЦИИ Мироздания! Да, возможно предположить, что эта оболочка СРЕДА-ЭФИР имеет некоторую толщину в а.е., представляющую некую энерго-пограничную оболочку между шарообразным объёмом СРЕДЫ Вселенной и стерильным бесконечно-большим пространством ЭФИРА Мироздания - стерильной СУБСТАНЦИЕЙ, равномерно разделяющая внутренний объём СРЕДЫ Вселенной ТОЛЩИНОЙ с изменяющейся энергетической плотностью, в подобии слоёв атмосферы Планеты Земля... Ведь, что-то, какие-то силы должны удерживать Вселенную от разбегания 5-ти процентной вещественной части СРЕДЫ Вселенной - от ХАОСА! Итак, Вселенная - атомно-водородный реактор! И, как на каждом атомном реакторе должна быть силовая/защитная ОБОЛОЧКА, и, весьма внушительная, и, которая изредка взрывается... Уловил? Вселенная - так же взрывается! Да так, что её осколки прорвали оболочку нашей Малой Вселенной. Чему уже есть первые примеры... Эйнштейн, ошибочно, и принял взрыв Малой Вселенной, у которой оболочка СРЕДА/ЭФИР не выдержала, за Большой Взрыв и, "использовав" парадигму ТОЧКИ, получил за сингулярность, что - нобелевку... Как я предполагаю. В.А.
    Alexander Klimets
    17:13
    -
    0
    +
    Виктор Русаков. Это Взрыв мозга. Выдвигаю вас на Нобелевскую премию.
17:13
0
"Со временем был открыт атом, а затем и его свойство, что он вовсе не неделимый, а состоит из ядра и вращающегося вокруг него электрона" ЭлектронОВ, вообще-то. Можно, конечно, рассматривать электронное облако как единый объект в силу неопределённости по Гейзенбергу, вот только облако вокруг ядра не вращается.

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: