Чому існують межі того, що можуть прогнозувати фізики?

Якщо ділити речовина у Всесвіті на все менші і менші складові, ви в кінцевому підсумку досягнете обмеження, зіткнувшись з фундаментальної і неподільною часткою. Всі макроскопічні об'єкти можна поділити на молекули, навіть атоми, потім електрони (які фундаментальні) і ядра, потім на протони і нейтрони, і, нарешті, всередині них будуть кварки і глюони. Електрони, кварки і глюони — приклади фундаментальних часток, які не можна розділити ще більше. Але як таке можливо, щоб у самого часу і простору були такі ж обмеження? Чому взагалі існують значення Планка, які вже не можна ділити далі?

Щоб зрозуміти, звідки береться планковская величина, варто почати з двох стовпів, які керують реальністю: загальна теорія відносності та квантова фізика.

Загальна теорія відносності пов'язує матерію та енергію, існуючі у Всесвіті, з кривизною і деформацією тканини простору-часу. Квантова фізика описує, як різні частинки і поля взаємодіють між собою всередині тканини простору-часу, в тому числі і в дуже малих масштабах. Існує дві фундаментальні фізичні константи, які грають роль в загальній теорії відносності: G — гравітаційна постійна Всесвіту, і c — швидкість світла. G виникає, оскільки задає показник деформації простору-часу в присутності речовини і енергії; c — тому що це гравітаційне взаємодія поширюється в просторі-часі на швидкості світла.

У квантовій механіці теж з'являється дві фундаментальні константи: c та h, де остання — це постійна Планка. c — це обмеження швидкості всіх частинок, швидкість, з якою повинні рухатися всі безмассовые частинки, і максимальна швидкість, з якою може поширюватися будь-яка взаємодія. Постійна Планка була неймовірною важливою для опису того, як квантуются (вважаються) квантові енергетичні рівні, взаємодії між частинками і всі можливі наслідки подій. Електрон, що обертається навколо протона, може мати будь-яку кількість енергетичних рівнів, але всі вони з'являються дискретними кроками, і розмір цих кроків визначається h.

Поєднайте три цих постійних: G, c і h, і зможете використовувати різні їх комбінації для побудови шкали довжини, маси і часу. Вони відомі, відповідно, як довжина Планка, маса Планка і час Планка. (Можна побудувати і інші величини, наприклад, енергію Планка, температуру Планка і так далі). Все це, загалом і в цілому, шкала довжини, маси і часу, при яких — відсутність будь-якої іншої інформації — будуть значними квантові ефекти. Є хороші причини думати, що це так і є, і досить легко зрозуміти — чому так.

Уявіть, що у вас є частка певної маси. Ви задаєте питання: «якби моя частка мала таку масу, наскільки малий обсяг її потрібно стиснути, щоб вона стала чорною дірою?». Ви ще можете запитати: «Якщо б у мене була чорна діра певного розміру, за який час частинка, що рухається на швидкості світла, подолала б відстань, рівну цього розміру?». Маса Планка, довжина Планка і час Планка відповідають таким величинам: чорна діра планковскої маси буде планковскої довжини і перетинатися зі швидкість світла за планковское час.

Але планковская маса набагато, набагато більш масивна, ніж будь-які частинки, які ми коли-небудь створювали; вона в 10¹⁹ разів важче протона! Довжина Планка, точно так само, в 10¹⁴ разів менше будь-якої відстані, яку ми коли-небудь зондували, а планковское час в 10²⁵ разів менше будь-якого прямо виміряного. Ці масштаби ніколи не були безпосередньо доступні для нас, але вони важливі з іншої причини: планковская енергія (яку ви можете отримати, помістивши планковскую масу в E = mc²) – це масштаб, при якому квантово-гравітаційні ефекти починають набувати важливість і значимість.

Це означає, що при енергії такої величини — або тимчасових масштабах коротше часу Планка, або шкали довжини менше довжини Планка — наші нинішні закони фізики повинні порушуватися. У гру вступають ефекти квантової гравітації, і передбачення загальної теорії відносності перестають бути надійними. Кривизна простору стає дуже великою, а значить і «фон», який ми використовуємо для розрахунку квантових величин, теж перестає бути надійним. Невизначеність енергії і часу означає, що невизначеності стають вище значень, які ми знаємо як розрахувати. Коротше кажучи, звична нам фізика більше не працює.

Для нашої Всесвіту це не проблема. Ці енергетичні масштаби в 10¹⁵ разів вище, ніж ті, яких може досягти Великий адронний колайдер, і в 100 000 000 разів більше самих енергетичних частинок, які створює сама Всесвіт (космічні промені високої енергії), і навіть в 10 000 разів вище показників, яких досягла Всесвіт відразу після Великого Вибуху. Але якщо б ми хотіли дослідити ці межі, є одне місце, де вони можуть бути важливими: у сингулярностях, розташованих у центрах чорних дірок.

У цих місцях маси, що значно перевершують планковскую масу, стискаються в розмір, теоретично менший довжини Планка. Якщо у Всесвіті є місце, де ми зводимо всі лінії в одну і входимо в режим Планка, то це воно. Ми не можемо отримати до нього доступ сьогодні, тому що воно закрито горизонтом подій чорної діри і недоступно. Але якщо ми будемо досить терплячі — а терпіння потрібно багато — Всесвіт дасть нам таку можливість.

Бачте, чорнідірки з часом повільно розпадаються. Інтеграція квантової теорії поля у викривленому просторі-часі ВІД означає, що невелика кількість випромінювання випускається у просторі поза горизонтом подій, а енергія для цього випромінювання виходить з маси чорної діри. Згодом маса чорної діри зменшується, горизонт подій стискається, і через 10⁶⁷ років чорна діра сонячної маси повністю випарується. Якщо б ми могли отримати доступ до всього випромінювання, залишив чорну діру, включаючи самі останні моменти її існування, ми, безсумнівно, змогли б зібрати воєдино всі квантові ефекти, яких не передбачали наші найкращі теорії.

Зовсім не обов'язково, що простір не можна поділити на більш дрібні одиниці, ніж планковская довжина, і що час не можна розділити на менші одиниці, ніж планковское час. Просто ми знаємо, що наш опис Всесвіту, в тому числі наші закони фізики не можуть вийти за межі цих масштабів. Квантуемо чи простір? Тече час безперервно насправді? І що нам робити з тим фактом, що всі відомі фундаментальні частинки у Всесвіті мають маси набагато, набагато менше планковскої? На ці питання у фізиці немає відповідей. Планковские масштаби не настільки фундаментальні обмеження Всесвіту, скільки в нашому розумінні Всесвіту. Тому ми продовжуємо експериментувати. Можливо, коли у нас буде більше знань, ми отримаємо відповіді на всі питання. Поки немає.