Ako materiju u svemiru podijelite na manje i manje sastavne dijelove, na kraju ćete doći do ograničenja ako se suočite s temeljnom i nedjeljivom česticom. Svi makroskopski objekti mogu se podijeliti u molekule, čak i atome, zatim elektrone (koji su temeljni) i jezgre, zatim na protone i neutrone, a na kraju će se unutar njih pojaviti kvarkovi i gluoni. Elektroni, kvarkovi i gluoni su primjeri osnovnih čestica koje se dalje ne mogu razdvojiti. Ali kako je moguće da i vrijeme i prostor imaju ista ograničenja? Zašto Planckove vrijednosti uopće postoje i ne mogu ih dalje dijeliti?
Da bismo razumjeli odakle dolazi Planckova količina, vrijedno je započeti s dva stupa koji upravljaju stvarnošću: općom relativnošću i kvantnom fizikom.
Opća relativnost povezuje materiju i energiju koji postoje u Svemiru sa zakrivljenošću i deformacijom tkanine prostora-vremena. Kvantna fizika opisuje kako različite čestice i polja međusobno djeluju unutar tkiva prostora-vremena, uključujući u vrlo malom razmjeru. Postoje dvije osnovne fizičke konstante koje igraju ulogu u općoj relativnosti: G je gravitaciona konstanta svemira, a c brzina svjetlosti. G nastaje zato što postavlja pokazatelj deformacije prostora i vremena u prisutnosti materije i energije; c - jer se ta gravitaciona interakcija širi brzinom prostora i vremena brzinom svjetlosti.
U kvantnoj mehanici pojavljuju se i dvije temeljne konstante: c i h, gdje je potonja Planckova konstanta. c je ograničenje brzine za sve čestice, brzina kojom se sve čestice bez masi moraju kretati i najveća brzina kojom se svaka interakcija može širiti. Planckova konstanta bila je nevjerojatno važna u opisivanju kvantitativne (broje se) razine kvantne energije, interakcija između čestica i svih mogućih ishoda događaja. Elektroni koji se vrte oko protona mogu imati bilo koji broj energetskih razina, ali svi se pojavljuju u diskretnim koracima, a veličina tih koraka određena je h.
Kombinirajte ove tri konstante, G, c i h, a pomoću njih možete koristiti različite kombinacije za izradu ljestvice za duljinu, masu i vremenski period. Oni su poznati kao Planck duljina, Planck masa i Planck vrijeme. (Mogu se prikazati druge količine, na primjer, Planckova energija, Planckova temperatura itd.). Sve je to, uglavnom, ljestvica duljine, mase i vremena na kojem će - ako nema bilo kakvih drugih informacija - kvantni učinci biti značajni. Postoje dobri razlozi za vjerovanje da je to tako, i prilično je lako shvatiti zašto je to tako.
Zamislite da imate česticu određene mase. Postavljate pitanje: "Ako je moja čestica imala takvu masu, koliko je mala trebala biti stisnuta da bi postala crna rupa?" Možete se pitati i: "Da sam imao crnu rupu određene veličine, koliko bi vremena trebalo da se čestica koja se kreće brzinom svjetlosti prevali udaljenost jednaku ovoj veličini?" Planckova masa, Planckova duljina i Planckovo vrijeme odgovaraju točno ovim količinama: crna rupa s Planckovom masom bit će Planckova duljina i presijeca se brzinom svjetlosti u Planckovom vremenu.
Promotivni video:
Ali Planckova masa je mnogo, mnogo masivnija od bilo koje čestice koju smo ikada stvorili; 10 puta je 19 puta teža od protona! Planckova duljina je, također, 10 (14 snaga) puta manja od bilo koje udaljenosti koju smo ikad zvučali, a Planckovo vrijeme 10 puta (25 snage) manje od bilo koje izravno izmjerene snage. Ove nam ljestvice nikada nisu bile izravno dostupne, ali važne su iz drugog razloga: Planckova energija (koju možete dobiti stavljanjem Planckove mase u E = mc2) je mjerilo na kojem kvantni gravitacijski učinci počinju poprimati važnost i značaj.
To znači da na energijama ove veličine - bilo vremenske ljestvice kraće od Planckova vremena, bilo duljine manje od Planckove dužine - naši trenutni zakoni fizike moraju biti kršeni. Učinci kvantne gravitacije dolaze u igru, a predviđanja opće relativnosti više nisu pouzdana. Zakrivljenost prostora postaje vrlo velika, što znači da "pozadina" koju koristimo za izračunavanje kvantnih količina također prestaje biti pouzdana. Nesigurnost u energiji i vremenu znači da nesigurnosti postaju veće od vrijednosti koje znamo izračunati. Ukratko, fizika na koju smo navikli više ne radi.
To nije problem za naš svemir. Te su energetske ljestvice 10 (15 stupnjeva) puta veće od onih do kojih se može doći velikim hadronskim sudaračem i 100.000.000 puta veće od najenergičnijih čestica koje je stvorio sam Svemir (visokoenergetske kozmičke zrake), pa čak i 10.000 puta viši od pokazatelja koje je svemir postigao odmah nakon Velikog praska. Ali ako bismo htjeli istražiti te granice, postoji jedno mjesto na kojem bi oni mogli biti važni: u singularnostima koje se nalaze u središtima crnih rupa.
Na tim se mjestima mase koje znatno prelaze Planckovu masu komprimiraju na veličinu teoretski manju od Planckove duljine. Ako u Svemiru postoji mjesto gdje sve crte povezujemo u jednu i ulazimo u Planck način, to je to. Danas mu ne možemo pristupiti, jer je zatvoren horizont događaja crne rupe i nedostupan je. Ali ako smo dovoljno strpljivi - a za to je potrebno puno strpljenja - svemir će nam pružiti tu priliku.
Vidite, crne rupe s vremenom propadaju. Integriranje teorije kvantnog polja u zakrivljeni prostor vremena opće relativnosti znači da se u prostor izvan horizonta događaja emitira mala količina zračenja, a energija za to zračenje dolazi iz mase crne rupe. S vremenom se masa crne rupe smanjuje, horizont događaja se skuplja, a nakon 10 (do 67. godina snage) godina crna rupa solarne mase potpuno će ispariti. Kada bismo mogli dobiti pristup svim zračenjima koja su napustila crnu rupu, uključujući i posljednje trenutke njezinog postojanja, nesumnjivo bismo mogli sastaviti sve kvantne efekte koje naše najbolje teorije nisu predviđale.
Uopće nije nužno da se prostor ne može podijeliti na još manje jedinice od Planckove duljine i da se to vrijeme ne može podijeliti u jedinice manje od Planckova vremena. Samo znamo da naš opis svemira, uključujući naše zakone fizike, ne može nadići ovu ljestvicu. Je li prostor moguće mjeriti? Da li vrijeme stvarno teče neprekidno? A što ćemo učiniti s činjenicom da sve poznate temeljne čestice u svemiru imaju mnogo, puno manje od Planckove? Na fizička pitanja nema odgovora. Planck-ove ljestvice nisu toliko bitne u ograničavanju svemira kao u našem razumijevanju svemira. Tako nastavljamo eksperimentirati. Možda, kad budemo imali više znanja, dobit ćemo odgovore na sva pitanja. Ne još.
ILYA KHEL