Квант времени: что происходит за одну планковскую секунду?

Представьте себе секунду. Обычную секунду, за которую вы моргаете или делаете вдох. А теперь попробуйте вообразить отрезок времени, который короче этой секунды примерно в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (десять в сорок третьей степени) раз. Это настолько мало, что у нашего мозга просто нет подходящих образов, чтобы это осмыслить. Это — планковское время.  

Что это такое?

Формула планковского времени проста и элегантна, как и все в фундаментальной физике. Это время, за которое луч света — самый быстрый объект во Вселенной — проходит планковскую длину. А планковская длина, в свою очередь, — это расстояние, на котором привычные нам законы физики начинают давать сбои.

Если собрать воедино три фундаментальные константы — скорость света (\( c \)), постоянную Планка (\( h \)) и гравитационную постоянную (\( G \)) — и скомбинировать их особым образом, мы получим естественную единицу времени. Она не зависит от человека, его систем измерения или длины земного меридиана. Это масштаб, заложенный самой природой ткани пространства-времени. Именно поэтому систему назвали в честь великого физика Макса Планка, который первым понял важность таких величин.

Граница реальности

Для физиков планковское время — это не просто абстрактная цифра. Это горизонт событий для теорий. Дело в том, что на этом масштабе (примерно \(10^{-43}\) секунды) наши главные инструменты описания мира перестают работать.

• Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна, которая блестяще описывает гравитацию и то, как массивные тела искривляют пространство-время, здесь теряет силу. Понятия «гладкости» пространства и «течения» времени исчезают. Геометрия, к которой мы привыкли, перестает иметь смысл.
• Квантовая механика, управляющая миром субатомных частиц, тоже пасует, потому что на планковском масштабе гравитация становится такой же сильной и непредсказуемой, как и остальные силы.

Это «пограничье», где сливаются квантовый мир и мир гравитации. Чтобы описать, что там происходит, нужна Теория квантовой гравитации, которая до сих пор не создана. Поэтому планковское время называют квантом времени — возможно, это самый маленький «шаг» времени, который вообще имеет физический смысл.

Путешествие к началу начал

Самое интригующее применение планковского времени — в космологии. Согласно теории Большого взрыва, наша Вселенная появилась из сингулярности — точки с бесконечной плотностью и температурой.

В первый момент после Большого взрыва не существовало ни вещества в привычном нам виде, ни раздельных сил природы. Всё было едино. Но этот «первый момент» длился как раз одно планковское время.

В возрасте 1 планковской секунды случилось нечто грандиозное: гравитация отделилась от остальных фундаментальных взаимодействий (сильного, слабого и электромагнитного). Это был первый шаг к той Вселенной, в которой мы живем. О том, что было до этого рубежа (если понятие «до» здесь вообще применимо), современная физика ничего сказать не может — у нас просто нет теории, способной описать ту реальность.

Для наглядности можно сравнить: возраст нашей Вселенной с момента ее рождения — около 13,8 миллиарда лет (\(4.3 \cdot 10^{17}\) секунд). Это число примерно равно (\( 8 \cdot 10^{60} \))  планковских времен. Всего за 60 порядков уместилась вся история космоса от таинственного «ничто» до возникновения галактик, Земли и человека. (если представить историю Вселенной как фильм, то каждый кадр этого фильма длился бы одно планковское время. Так вот, за все время существования вселенной сменилось всего \( 8 \cdot 10^{60} \) таких кадров. Это огромное число, но оно конечно.)

Вооруженным глазом не увидеть

Насколько недостижим для нас этот масштаб? Самые короткие промежутки времени, которые современные физики могут зарегистрировать с помощью лазеров, — это аттосекунды (\(10^{-18}\) с). За аттосекунду свет успевает пройти лишь расстояние, сравнимое с размером атома водорода. Это кажется фантастическим достижением.

Однако аттосекунда больше планковского времени в (\(10^{26}\) ) сто миллионов миллиардов миллиардов раз. Это колоссальная пропасть. Экспериментально «увидеть» планковское время мы пока не можем так же, как не можем пощупать отдельный атом голыми руками.

Итог

Планковское время — это удивительный рубеж. Это место, где заканчивается территория, описанная учебниками физики, и начинается неизведанная область, где пространство и время, вероятно, превращаются в пену, кипящую квантовыми флуктуациями. Это самый ранний момент жизни нашей Вселенной, о котором мы можем осмысленно говорить сегодня. И это напоминание о том, как много нам еще предстоит узнать о фундаментальной природе реальности.