Čo je najmenšia vec vo vesmíre
Kedysi si ľudia mysleli, že všetko okolo nás tvoria častice veľkosti zrniek piesku.
Potom to bolo konceptualizované atóm a istý čas sme sa prehýbali v ilúzii, že máme odpoveď: najmenšou nedeliteľnou jednotkou hmoty je atóm. Pokrok, ako vieme, však pri každej odpovedi vyvoláva ešte viac otázok.
Keď sa ľudia dozvedeli, že atóm, ako sa zdá elementárny, je zase zložený z komponentov, začali sa pýtať, kam až bude možné pri vedeckom rozdelení drôtu na štyri zájsť pri hľadaní najmenšej existujúcej veci. A odpovede odrážajú tak pokrok vedomostí, ako aj frustráciu vedcov, ktorí čelia tejto neznesiteľnej záhade vesmíru.
Atóm, o ktorom sa dlho myslelo, že je nedeliteľný, je v skutočnosti tvorený jadrom a elektrónmi. Jadro zase tvorí protón a neutrón.
Konečne sa zdalo, že ide o základné častice, za ktorými už nemôže byť nič menšie. Ale nie! Protóny a neutróny oklamali naše nádeje: ukázalo sa, že sú tvorené ešte menšími časticami: každý protón alebo neutrón sa skladá z troch kvarkov.
Ďalšia otázka samozrejme znie: je vo vnútri kvarkov niečo - ešte menšie častice?
„Tentokrát sme neboli schopní nájsť nijaké dôkazy o tom, že by vo vnútri kvarkov bolo niečo,“ hovorí fyzik Andy Parker, profesor na Cambridge University vo Veľkej Británii. „Dosiahli„ najzásadnejšiu “úroveň hmoty?“
V skutočnosti sú veci ešte komplikovanejšie: aj keď sú kvarky a elektróny nedeliteľné, neznamená to, že sú nevyhnutne najmenšími „vecami“ vo všetkom, čo existuje. Vedci nevedia, či ide o najmenšie fragmenty hmoty, alebo či vesmír obsahuje ešte menšie kompozície.
Problémom je uhol prístupu: matematici a fyzici sú na rôznych úrovniach, pokiaľ ide o koncept „najmenšej veci vo vesmíre“. Matematici nemajú problém predstaviť si určité veci a demonštrovať ich v duchu matematickej logiky a všeobecných princípov disciplíny, zatiaľ čo fyzici chcú dôkazy, konkrétne výsledky, experimentálne údaje.
Napríklad sa zdá, že v experimentoch sa extrémne malé častice, ako sú kvarky a elektróny, správajú ako „body“ v matematickom/geometrickom zmysle slova.
Ale existencia a vlastnosti bodových objektov sú v rozpore s fyzikálnymi zákonmi: matematicky povedané, bod je niečo bez merateľných rozmerov (nulového rozmeru) a môžete sa k nemu priblížiť, ako len viete, bez dotyku; môžete sa dostať nekonečne blízko k bodu a potom sily pôsobiace na tento bod nekonečne veľké. A s nekonečnosťou je ťažké pracovať - kto to dokáže zmerať? - takže fyzici nenávidia pojem nekonečna.
Pri pokuse o vyriešenie problému sa možno obrátiť na inú teóriu fyziky - teória superstrún (alebo laná). Konceptualizuje všetky častice nie ako bodky, ale ako „reťazce“ (reťazce), „slučky“ alebo siete. Predstavte si gumičku - obyčajnú gumičku, kruhové očko z gumovej nite - a redukujte ju vo svojej fantázii, ako len dokážete - pokiaľ vaša fantázia vydrží. Takéto veci by v skutočnosti boli častice, tvrdí teória superstrún.
A tieto slučky sa správajú úplne inak ako body: nie sú nulovo-dimenzionálne ako body a nič sa nemôže priblížiť takej nekonečne veľkej slučke, pretože to bude vždy o niečo ďalej od oblasti slučky ako vysoká. Zdá sa teda, že tieto superstruny riešia niektoré problémy spojené so zmesou nekonečna, čo je pre fyzikov výhodné.
Nevýhodou však je, že zatiaľ fyzici nemajú dôkazy o správnosti teórie superstrún. Je to veľmi dôležitý teoretický koncept vo fyzike, ktorý sa snaží zosúladiť dve doposiaľ nezlučiteľné vízie v určitých bodoch: všeobecnú teóriu relativity a kvantovú mechaniku, a je tak kandidátom v súťaži o jej vypracovanie. “teórie celku„alebo“záverečná teória”- akýsi Svätý grál fyziky, teória teórií, ktorá by úplne vysvetlila a spojila všetky známe fyzikálne javy. Prečo potrebujeme takúto teóriu? Pretože nateraz existujú veci, ktoré sa nedajú úplne vysvetliť dvoma skvelými konceptmi, o ktorých sme hovorili:
- všeobecná teória relativity, ktorý popisuje gravitácia a čo sa deje vo veľmi veľkom meradle v časopriestore. gravitácia je jednou zo 4 základných síl pôsobiacich vo vesmíre.
- teória kvantového poľa, čo sa týka toho, čo sa deje vo veľmi malom rozsahu, na úrovni častíc. Na základe toho bol vyvinutý štandardný model fyziky častíc, ktorá popisuje nekonečne malé štruktúry hmoty, úroveň, na ktorej pôsobia ďalšie 3 základné sily: slabá jadrová sila, silná jadrová sila a elektromagnetická sila. Príbuzný a známejší pojem je kvantová mechanika, ktorý popisuje, ako častice interagujú, aby vytvorili tieto 3 sily. Gravitácia neprichádza do pohľadu kvantovej mechaniky, a teda aj k niektorým nezrovnalostiam, o ktorých si ešte povieme a ktoré posúvajú kôl pokusov určiť, čo je najmenšie vo vesmíre.
Ako vidíte, nie všetky 4 základné sily zapadajú do rovnakej teórie, takže cieľom vysnívanej záverečnej teórie je nájsť spôsob, ako ich všetky harmonicky a úplne spojiť a zjednotiť obe vízie. jediný model popisujúci všetky základné sily a všetky formy hmoty.
Ale takáto konečná teória, ktorú má akceptovať drvivá väčšina fyzikov - napríklad teória všeobecnej relativity a teória kvantového poľa - ešte nie je pripravená. Teória superstrún je, povedal som, kandidát, nie potvrdený víťaz.
V singularite čiernych dier
Ak sa nemôžeme spoľahnúť na superstruny, aké ďalšie riešenia máme? Ďalším prístupom by bolo tvrdiť, že priestor nie je homogénny a súvislý, ale pozostáva z pixelov alebo „granúl“, ktoré tvoria to, čo sa označuje ako kvantová pena alebo časopriestorová pena, považovaný za základ textúry vesmíru. V takom prípade sa dve častice nebudú môcť dostať nekonečne blízko k sebe, pretože budú vždy musieť byť oddelené minimálnym priestorom veľkosti vesmírnej granule.
Máme teda kandidáta na titul najmenšej veci vo vesmíre - vesmírnej granule.
Ak zatiaľ máte pocit, že ste sa toľko fyzikou chytili za uši, máme dve novinky - jednu dobrú a jednu zlú, vtipy.
Dobrá správa - bude to naozaj dobré? - je to, že tento koncept kvantovej peny je ťažké „prehltnúť“ ani pre mnohých fyzikov, ktorí to považujú za veľmi neurčité; preto nie je prekvapujúce, že ktokoľvek môže byť zmätený, keď sa dopočuje o takejto veci.
Zlou správou je, že sa budeme aj naďalej ponárať ešte hlbšie do opratia Kozmu, kam sa už nikto a nič nemôže vrátiť: do hlbín čiernych dier.
Pretože ďalším kandidátom na trofej pre „najmenšiu vec vo vesmíre“ sú - dámy a páni! - singularita v strede čiernej diery!
Tieto záhadné vesmírne štruktúry - čierne diery - vznikajú, keď hmota kondenzuje do vesmíru tak malého, že gravitácia všetko premôže, čo spôsobí, že hmota sa stláča a stláča, až kým sa nezmení na nekonečne vysokú hustotu. podľa súčasných zákonov fyziky.
Dôležitá predstava, ktorá sa objavuje v teoretických modeloch, ktoré popisujú vznik čiernych dier, je gravitačná singularita (alebo jedinečnosť časopriestoru), popísaná ako oblasť časopriestorového kontinua, v ktorej sa kvantitatívne opatrenia popisujúce gravitačné pole stanú nekonečnými. Vznik čiernej diery je sprevádzaný zdaním gravitačnej singularity v nej: gravitačné pole by tu bolo také silné, že by sa nedalo ani len zmerať.
Takže tento bod, nekonečne malý a s nekonečne vysokou hustotou, by mohol byť najmenšou vecou, ktorá vo vesmíre existuje.
Väčšina odborníkov však neverí, že čierne diery sú dokonca nekonečne husté. Veria, že toto nekonečno je výsledkom výpočtov v dôsledku nekompatibility (o ktorej sme hovorili) medzi týmito dvoma teóriami, z ktorej vyplýva všeobecná relativita a kvantová mechanika. Ani jeden z nich, sám „pokrýva“, nevysvetľuje všetko, čo sa deje vo vesmíre, a to vo veľkom aj v malom meradle. Potrebujeme zjednocujúcu teóriu - napr teória kvantovej gravitácie - a potom sa vedci domnievajú, že kliatba neúplných poznatkov sa skončí, závoj tajomstva sa zdvihne a odhalí sa skutočná podstata čiernych dier.
Do tej doby musíme iba dôverovať intuícii a znalostiam niektorých odborníkov, ktorí, keďže sú ľuďmi, majú v tomto ohľade tiež odlišné názory. Andy Parker, už citovaný fyzik, je jedným z tých, ktorí neveria v nadradenosť singularity. „Môj názor je, že je oveľa menší ako tvaroh, ale nemyslím si, že by mal nekonečnú hustotu,“ povedal pre LiveScience.
„Skôr by som povedal, že singularity sú miliónkrát miliónkrát menšie ako najmenšie rozmery, aké môžeme vidieť.“
A ak áno, potom by singularity mohli byť veľké ako superstruny. To však problém nevyriešilo.
A napriek tomu by sme medzi toľkými neprehľadnými konceptmi nemohli mať nič konkrétnejšie, dimenziu vyjadrenú v klasickom metrickom systéme, ľahko pochopiteľnú pre nás, dimenziu, ktorú, aj keď je menšia ako čokoľvek, čo by sme si dokázali predstaviť, stále to dávalo upokojujúci pocit, že je to niečo merateľné?
Tu vstupuje do hry scéna tzv Planckova dĺžka. Superstruny, singularity a pixely/granule vo vesmíre môžu mať túto veľkosť.
Planckova dĺžka sa rovná 1,61619926 × 10 - 35 metrov (ak chcete skutočne písať nerozložený text, napíšte 0, vložte čiarku, napíšte ďalších 34 núl a potom 16), čo je hodnota, ktorú si môžete len ťažko predstaviť, ale a ktorý je zapojený do mnohých aspektov fyziky.
Je príliš malý na to, aby sa dal merať existujúcimi meracími prístrojmi; vyplynulo z komplexných výpočtov, ale predpokladá sa, že predstavuje teoretický limit najmenšej merateľnej dĺžky.
Táto dimenzia sa tiež považuje za deliacu čiaru medzi všeobecnou relativitou a kvantovou mechanikou, za hodnotu, pri ktorej sa všetky stávajú jedným, a to, čo sa stane, by sa dalo popísať kvantová gravitácia - tá zjednocujúca vízia, ktorú stále čakáme na to, kým ju niekto rozvinie, aby existovala prostredníctvom rovníc, ktorým môžu fyzici porozumieť a prijať ich.
Možno je dobré sa tu zastaviť a pri utešujúcej hypotéze, že najmenšia a najmenšia vec, ktorá existuje vo veľkom vesmíre, by mala veľkosť, ktorú síce (stále) nemožno merať praktickými prostriedkami, ale existuje aspoň teoreticky a dáva nám horizont čakania, limit únavného úsilia predstavivosti predstaviť si najmenšiu vec: veľkosť Planckovej dĺžky.