Что такое планковская длина и что она означает?

2 1 621

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.

Макс Планк — немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики.
Макс Планк — немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики.

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.

предел разрешающей способности человеческого глаза
Тихоходка, нейрон, ширина волоса человека и белое кровяное тельце — все они находятся на пределе разрешающей способности человеческого глаза. Чтобы увидеть что-то меньшее, требуется оптическая технология. (1 · 10-4 метра)

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.

Эритроциты, бактерии и большие вирусы.
Эритроциты, бактерии и большие вирусы, коронавирус значительно меньше. (1 · 10-6 метра)

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.

ДНК, диаметр углеродной нанотрубки, атом водорода
ДНК, диаметр углеродной нанотрубки, атом водорода. Это предельное разрешение для электронных микроскопов. (1 · 10-10 метра)

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.

Протон, нейтрон и гипотетическая частица темной материи WIMP
Протон, нейтрон и гипотетическая частица темной материи WIMP (маленькая точка в центре) Бозон Хиггса еще примерно в 10 раз меньше. (1 · 10-15 метра)

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.

Насколько маленькими могут быть вещи? Вот такими маленькими, и ничуть не меньше. Планковская длина — это фундаментальный предел размеров в природе (1 · 10-35 метров). Станьте еще меньше, и законы физики нарушатся. Планковская длина составляет 100 квинтиллионных (1/1019) размера протона! Некоторые теоретики полагают, что в этом масштабе пространство является гранулированным — его больше нельзя разделить на более мелкие приращения. Это похоже на то, как изображение на экране компьютера становится зернистым на уровне пикселей.

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.

Физики не знают, что на самом деле происходит на планковском масштабе, но они могут строить предположения. Некоторые физики-теоретики предсказывают, что все четыре фундаментальных взаимодействия — гравитация, слабое взаимодействие, электромагнетизм и сильное взаимодействие — наконец сольются в одно взаимодействие при этой энергии. Квантовая гравитация и суперструны также являются возможными явлениями, которые могут доминировать на шкале энергий Планка.

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.

Структура пространства в зависимости от масштаба.

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.

Дополнительные материалы:
Подписаться
Уведомление о
2 Комментарий
Первые
Последние Популярные
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Тетроид
Гость
2 лет назад

А почему ученые решили, что при планковской длине или размере не действует гравитация и другие силы природы? Ведь возможно такое, что при таких масштабах гравитация работает, но в каком-то ином режиме? .. и еще вопрос _ если уменьшаться еще больше, то что можно увидеть в таком мире, где значения уже в тысячи раз меньше планковских…какиенить особенные энергетические частицы или потоки энергий ну и тд?

Марсианин
Гость
Ответить на  Тетроид
2 лет назад

Насколько я понимаю, уменьшиться еще дальше попросту нельзя — меньше уже ничего нет!