In de afgelopen 100 jaar hebben natuurkundigen nauwkeurige en krachtige theorieën over het universum opgebouwd, van klein tot groot. Er zijn echter schalen waarop al deze theorieën niet werken en die de grootste geheimen over de natuurwetten bevatten.
We zijn gewend te leven in een wereld van grote, macroscopische dingen. Alles wat de gemiddelde persoon gedurende de dag tegenkomt - van een kopje koffie in de ochtend tot een enorme vuurbal aan de hemel die de zon wordt genoemd - zijn dingen die we kunnen zien of aanraken. Maar zelfs in het oude Griekenland suggereerden filosofen, in het bijzonder Democritus en zijn leraar Leucippus, dat alles bestaat uit de kleinste ondeelbare deeltjes - atomen (letterlijk vertaald uit het Grieks betekent "ondeelbaar").
Na verloop van tijd werd het atoom ontdekt, en vervolgens zijn eigenschap dat het helemaal niet ondeelbaar is, maar bestaat uit een kern en een elektron dat eromheen draait. Toen bleek dat de kern ook uit protonen en neutronen bestaat. Zelfs later werden quarks ontdekt, waaruit de protonen en neutronen van atoomkernen zijn samengesteld. Deze kleine deeltjes worden elementair genoemd. Naast quarks worden onder de elementaire deeltjes al elektronen, bosonen, neutrino's en fotonen genoemd. Ze worden allemaal beschouwd als dezelfde oude Griekse "atomen" - ondeelbaar.
In 1899 (in sommige bronnen - in 1900) stelde de Duitse natuurkundige en parttime grondlegger van de kwantumtheorie Max Planck een speciale maateenheid voor: Planck-eenheden. Dit zijn eenheden die zijn ontworpen om bepaalde algebraïsche uitdrukkingen in de theoretische fysica, met name in de kwantummechanica, te vereenvoudigen. Deze omvatten fundamentele eenheden zoals Planck-massa, Planck-temperatuur, Planck-lengte en Planck-tijd. In dit artikel zullen we de Planck-lengte en Planck-tijd bekijken en proberen dit op de meest begrijpelijke manier te doen, zonder ingewikkelde wiskundige berekeningen (hoewel we enkele formules nodig hebben).
Zoals je al weet, houdt de natuurkunde zich niet alleen bezig met de studie van enorme kosmische structuren zoals sterrenstelsels en nevels, maar ook met ongelooflijk kleine verschijnselen op atomaire en subatomaire schaal. Er is echter een andere realiteit op een schaal die veel kleiner is dan wat de wetenschap heeft kunnen bestuderen. Op dit niveau is er een waarde die zo veel verder gaat dan het traditionele begrip 'klein' dat het moeilijk voor te stellen is. Dit is de lengte van Planck - het is 10 (tot de macht van 20) keer kleiner dan de diameter van de kern van een waterstofatoom. Aangenomen wordt (of preciezer gezegd: het wordt vermoed) dat op dit niveau het "schuim" van ruimte-tijd wordt gevormd. Om te begrijpen over welke waarde we het hebben, kun je de animatie "Scale of the Universe" op deze link bekijken.
En over welke dimensies hebben we het toch? De Planck-lengte is slechts 1.616 x 10 (tot de -35 kracht) meter. Het kan worden berekend met behulp van een vergelijking die drie hele fundamentele constanten omvat - de constante van Planck (6,6261 x 10 (tot de macht van -34)), de lichtsnelheid in vacuüm (2,29979 x 10 (tot de macht van 8) m / s) en de gravitatieconstante (6,6738 x 10 (tot de macht-11)):
Max Planck kwam voor het eerst naar deze opmerkelijke eenheid nadat hij had gewerkt aan straling van zwarte lichamen en kwantummechanica. U hebt waarschijnlijk gehoord dat dit de kortst mogelijke lengte is.
Promotie video:
Hier kun je, net als in het geval van het oud-Griekse concept van het atoom, zeggen: "Natuurlijk, als ik een bepaalde lengte heb en ik deze in tweeën splits, en het dan keer op keer herhaal, krijg ik steeds kleinere waarden." We hebben het echter over een schaal waarop de natuurkunde niet meer hetzelfde kan als wiskunde. Een van de meest opvallende voorbeelden van dergelijke onmogelijkheden is beweging met superluminale snelheid. Dat wil zeggen dat je op papier kracht kunt uitoefenen op de massa en deze kunt versnellen tot de snelheid van het licht en hoger, maar we weten dat dit in de natuur gewoon fysiek onmogelijk is, aangezien de massa van een object (en dus de energie die nodig is om het te versnellen) oneindig toeneemt. Het blijkt dat we niet alles wat we kunnen op papier in de praktijk kunnen implementeren.
Snaartheorie voorspelt het bestaan van de snaren waaruit alle elementaire deeltjes bestaan, precies op de Planck-lengte / Universe Review.
Dus hoe past zo'n kleine hoeveelheid in de natuurkunde? Als twee deeltjes gescheiden zijn door een Planck-lengte of zelfs minder afstand, is het onmogelijk om de posities van elk van hen te bepalen. Bovendien zijn eventuele effecten van kwantumzwaartekracht op deze schaal (indien aanwezig) onbekend bij de wetenschap, aangezien de ruimte zelf daar niet goed is gedefinieerd. In zekere zin kunnen we zeggen dat zelfs als we meetmethoden hebben ontwikkeld die in staat zijn om in deze schalen te "kijken", we nooit iets minder zouden kunnen meten, ongeacht de verdere verbetering van onze methoden en apparatuur.
Volgens het standaard kosmologische model werd het universum geboren als gevolg van de oerknal, die begon op een oneindig dicht punt. Het is vooral interessant dat natuurkundigen en kosmologen geen flauw idee hebben welke natuurkundige wetten er in het heelal heersten voordat het de Planck-lengte in omvang overschreed, aangezien er nog steeds geen bevestigde theorie van kwantumzwaartekracht is. Desalniettemin is deze eenheid nuttig gebleken in veel verschillende vergelijkingen die hebben geholpen bij het berekenen en onderzoeken van enkele van de belangrijkste mysteries van het universum.
De Planck-lengte is bijvoorbeeld een sleutelcomponent in de Bekenstein-Hawking-vergelijking voor het berekenen van de entropie van een zwart gat. Snaartheoretici zijn van mening dat er op deze schaal "trillende" snaren zijn die de elementaire deeltjes van het standaardmodel vormen. Of de snaartheorie al dan niet waar is, één ding is zeker: in de zoektocht naar een uniforme theorie van alles, zal het begrijpen van Planck-lengte en de bijbehorende fysica een sleutelrol spelen.
De allereerste momenten van het bestaan van het heelal in de kosmologie worden het Planck-tijdperk / University of Illinois genoemd.
Hoe zit het met Planck-tijd? Kort samengevat, de Planck-tijd is de tijd die het licht in een vacuüm nodig heeft om de Planck-lengte af te leggen. Bijgevolg zijn deze twee hoeveelheden gerelateerd. Het is merkwaardig dat om de Planck-tijd te berekenen, de Planck-constante, de gravitatieconstante en de lichtsnelheid in vacuüm nodig zijn. De exacte waarde van de Planck-tijd is 5,391 x 10 (tot de macht van -44) seconden en wordt berekend met de formule:
Planck-tijd wordt ook wel het kwantum van tijd genoemd - de kleinste waarde van tijd die een werkelijke waarde heeft. Kleinere tijden zijn zinloos. Terugkerend naar theoretische hypothesen, nemen snaartheoretici aan dat snaren van Planck-formaat trillen met een frequentie die overeenkomt met de Planck-tijd. In 2003, bij het analyseren van de Deep Field-beelden van de Hubble-telescoop, suggereerden sommige wetenschappers dat als er ruimte-tijdfluctuaties aanwezig waren op de Planck-schaal, beelden van zeer verre objecten wazig zouden zijn. De Hubble-afbeeldingen, zo voerden ze aan, waren te nauwkeurig, wat volgens experts vraagtekens zette bij het concept van de Planck-schaal. Andere leden van de wetenschappelijke gemeenschap waren het niet eens met deze veronderstelling en merkten op:dat dergelijke fluctuaties te klein zouden zijn om waar te nemen. Bovendien werd gesuggereerd dat de verwachte onscherpte werd verwijderd door de grote omvang van de objecten in de afbeeldingen.
Hubble Ultra-Deep Field / NASA / ESA / R. THOMPSON.
Dus de Planck-lengte en de bijbehorende Planck-tijd bepalen de schaal waarop moderne natuurkundige theorieën niet meer werken. Alle ruimte-tijd geometrie die door de algemene relativiteitstheorie wordt voorspeld, heeft geen betekenis meer. Deze schalen bevatten een nog niet ontdekte theorie die de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica verenigt, die de wetten van de fysica het best kan beschrijven. In feite is het om deze reden dat moderne beschrijvingen van de ontwikkeling van het heelal slechts 5,391 x 10 (tot de macht van -44) seconden na de oerknal beginnen, toen het universum 1,616 x 10 (tot de macht van -35) meter was.
Vladimir Guillen
