Что такое планковская длина и что она означает?

Масштаб Вселенной невероятно сложно представить. Подумайте о самом большом, что вы можете придумать. Это может быть настолько большой объект, насколько вы можете себе представить. Но масштаб Вселенной все равно будет на много порядков больше этого. Он намного больше, чем вы можете себе представить.

Но что самое интересное, что он к тому же и меньше, чем вы можете себе представить.

Подумайте о самом маленьком, что вы можете вообразить — бактерии, вирусы, атомы? Но во Вселенной есть длина на много порядков меньше любого атома.

И в этом проблема. Большинство из нас не может постичь масштаб Вселенной, потому что он совершенно не связан с чем-либо, с чем мы имеем дело в повседневной жизни.

Например, есть как минимум 10 секстиллионов звезд — это 10 с 22 нулями. Это в тысячи раз больше, чем песчинок на всех пляжах Земли. Но вы, может быть, слышали об этом раньше.

Возможно, вы не слышали, что Вселенная «даже меньше, чем больше».

Например, наименьшая возможная длина (планковская длина), согласно теории, составляет около 1,61 · 10^-35 метров. Она настолько мала, что если бы атом был размером с Землю, планковская длина была бы намного меньше, чем даже головка булавки.

Фактически, планковский объем, который имеет длину в кубе или примерно 4 · 10^-105 кубических метров, настолько мал, что внутри кубического метра больше планковских объемов, чем кубических метров в известной Вселенной.

Что такое планковская длина и как мы можем ее представить? И почему именно она самая маленькая во Вселенной?

Начнем со шкалы человеческого существа, потому что это, вероятно, самая подходящая шкала, о которой мы можем подумать. Представьте себе обычные вещи, с которыми мы имеем дело каждый день — здесь все просто.

Теперь давайте уменьшимся на один порядок, так что теперь мы смотрим на вещи в масштабе примерно 10 сантиметров. Это такие объекты, как например, мышь-землеройка — одна из самых маленьких млекопитающих на Земле, или куриное яйцо.

Теперь двинемся немного быстрее, допустим, в тысячу раз меньше человеческого масштаба, порядка 1 миллиметра или одной тысячной метра. Здесь вы найдете такие вещи, как песчинка длиной около полу-миллиметра или тихоходка — микроскопическое беспозвоночное, которое очень сложно увидеть невооруженным глазом.

Далее перейдем в размеры в 1000 раз меньше предыдущих. Теперь мы будем в сто раз меньше ширины человеческого волоса. И в десять раз меньше даже бактерий.

Здесь мы можем найти такие объекты, как большие вирусы. В отличие от бактерий, 99% из них для вас безвредны, за некоторым исключением.

Уменьшим размеры еще в 1000 раз. Это уже нанометры, или одна миллиардная часть метра. Сейчас мы видим мир, который мы не можем увидеть в оптические микроскопы. Здесь размеры в десять раз меньше размеров ДНК, основы всей жизни на Земле.

Это масштаб размера молекул, таких как молекула глюкозы, которые наше тело использует в качестве источника энергии. И масштаб самого большого атома — цезия.

Уменьшим размеры еще в 1000 раз и получим одну триллионную часть метра. Это порядок длины волны гамма-излучения.

Это электромагнитное излучение наивысшей энергии, состоящее из фотонов с наибольшей энергией. Гамма-лучи излучаются во время ядерного взрыва и высокоэнергетического космологического явления, такого как взрывы звезд непосредственно перед их коллапсом в черную дыру.

Уменьшим размеры еще в 1000 раз. Это одна квадриллионная часть метра (1· 10^-15м). Это размер частиц, составляющих ядра всех атомов, протонов и нейтронов.

Однако размер типичного атома в 100 000 раз больше, чем его ядро. Итак, если бы атом был размером с футбольный стадион, ядро было бы очень маленьким шариком, расположенным в самом центре.

Можно подумать, что мы приближаемся к наименьшему из существующих размеров — длине планка. Но мы еще и близко не подошли к ней. На масштабе 1 · 10^-19 метра находятся кварки, электроны и нейтрино, но не планковская длина. Дальше простирается глубочайшая бездна, в которой нет ничего.

Нужно сделать масштаб в квадриллион раз меньше, чем одна квадриллионная метра, или 1 · 10^-30 метра, и все равно тогда еще нужно будет уменьшить масштаб еще в 100 000 раз, или до 1 · 10^-35 метров. И только тогда вы будете на планковской длине.

Фактически, если бы атом был размером с Землю, планковская длина была бы меньше размера атома — она ​​была бы размером с протон.

Планковская длина фактически выводится из фундаментальных констант Вселенной, которые определяют свойства пространства-времени:

Скорость света — c, что означает максимальную скорость связи во Вселенной. Гравитационная постоянная — G, которая обозначает величину силы тяжести между двумя массивными объектами и постоянная Планка — h, которая связывает, сколько энергии несет фотон в зависимости от его электромагнитной частоты.

На самом деле это единственные константы, которые определяют фундаментальные свойства вселенной и всего ее содержимого. Используя различные комбинации этих фундаментальных констант, вы можете определить длину.

Но что означает эта длина? Почему это важно?

Планковская длина — это наименьшая длина, на которой сила тяжести будет действовать. Это масштаб и размер струн в теории струн. Это также масштаб, в котором пространство-время теоретически квантуется в теории петлевой квантовой гравитации.

Так почему же это самая маленькая длина? В 1964 году Ч. Олден Мэн определил, что, используя известные законы квантовой механики и законы гравитации, невозможно определить положение объекта с точностью, меньшей, чем планковская длина. Итак, исходя из того, что в настоящее время известно о квантовой механике, длина, меньшая, чем длина Планка, не имеет значения.

Одна из замечательных особенностей планковской длины заключается в том, что, поскольку она получена из фундаментальных констант Вселенной, которые по определению применимы ко всему, она будет одинаковой независимо от того, на каком языке вы говорите, какие единицы измерения вы используете или даже с какой планеты вы могли бы прилететь.

Вполне вероятно, что если мы когда-нибудь встретим инопланетян из другого мира и сравним знания, у обоих цивилизаций будет одинаковое значение для наименьшей возможной длины во Вселенной.

По этой ссылке вы можете посмотреть анимации, чтобы исследовать различные масштабы Вселенной.

Первоначальная версия этой статьи была опубликована в октябре 2021 года.