Ami a legkisebb dolog az Univerzumban
Régen az emberek azt gondolták, hogy a homokszemek nagyságú részecskék alkotnak mindent körülöttünk.
Aztán konceptualizálták atom és egy ideig abban az illúzióban ingadoztunk, hogy megvan a válasz: az anyag legkisebb oszthatatlan egysége az atom. De a fejlődés, mint tudjuk, minden válaszára még több kérdést vet fel.
Amikor az emberek megtudták, hogy az atom, bármennyire is eleminek tűnik, komponensekből épül fel, azon gondolkodni kezdtek, hogy meddig lehetne eljutni a huzal ezen tudományos kettéválasztásával a létező legkisebb dolog keresésére. A válaszok pedig tükrözik mind a tudás fejlődését, mind a tudósok csalódottságát, akik szembesülnek az Univerzum eme gyötrő rejtélyével.
A sokáig oszthatatlan atom tulajdonképpen magból és elektronokból áll. A mag viszont abból áll proton és neutronok.
Ezek végül alapvető részecskéknek tűntek, amelyeken túl nem lehet kisebb. De nem! A protonok és a neutronok megtévesztették reményeinket: bebizonyosodott, hogy még kisebb részecskékből állnak: minden proton vagy neutron három kvarkból áll.
Természetesen a következő kérdés: van-e valami - még kisebb részecske - a kvarkokban?
"Ezúttal nem találtunk bizonyítékot arra, hogy valami lenne a kvarkokban" - mondja Andy Parker fizikus, az Egyesült Királyság Cambridge-i Egyetem professzora. "Elérték-e az anyag" legalapvetőbb "szintjét?"
Valójában a dolgok még bonyolultabbak: még akkor is, ha a kvarkok és az elektronok oszthatatlanok, ez nem jelenti azt, hogy szükségszerűen a legkisebb "dolgok" lennének minden létezőben. A tudósok nem tudják, hogy ezek-e az anyag legkisebb töredékei, vagy az Univerzum tartalmaz-e még kisebb kompozíciókat.
A probléma a megközelítési szög: a matematikusok és fizikusok különböző szinteken vannak a "világegyetem legkisebb dolgának" fogalmát tekintve. A matematikusoknak nem okoz gondot bizonyos dolgok elképzelése és bemutatása a matematikai logika és a tudományág általános elveinek szellemében, míg a fizikusok bizonyítékokat, konkrét eredményeket, kísérleti adatokat akarnak.
Például a kísérletek során rendkívül kicsi részecskék, például kvarkok és elektronok, úgy tűnik, hogy "pontként" viselkednek a kifejezés matematikai/geometriai értelmében.
De a pontobjektumok léte és tulajdonságai ütköznek a fizika törvényeivel: matematikailag nézve a pont valami mérhető dimenzió nélküli (nulla dimenziós), és amennyire csak lehet, hozzá lehet férni hozzá, anélkül, hogy hozzáérne; végtelenül közel kerülhet egy ponthoz, majd az ezen a ponton ható erők végtelenül nagyok lesznek. És a végtelenben nehéz működtetni - ki tudja megmérni? - tehát a fizikusok utálják a végtelenség fogalmát.
A probléma megoldása érdekében a fizika másik elméletéhez fordulhat - szuperhúr elmélet (vagy kötelek). Az összes részecskét nem pontokként, hanem "húrként" (húrként), "hurkként" vagy hálóként szemlélteti. Képzeljen el egy rugalmasat - egy közönséges gumit, egy kör alakú hurkot, amely gumiszálból készült -, és amennyire csak lehet, csökkentse azt képzeletében - amíg csak képzelete tart. Az ilyen dolgok valójában részecskék lennének - állítja a sztring elmélet.
És ezek a hurkok egészen másként viselkednek, mint a pontok: nem nulla dimenziósak, mint a pontok, és semmi sem kerülhet közel egy ilyen végtelenül sok hurokhoz, mert mindig egy kicsit távolabb lesz a hurok területétől, mint magas. Tehát ezek a szuperhúrok úgy tűnik, hogy megoldják a végtelen keverékével kapcsolatos problémákat, amelyek kényelmesek a fizikusok számára.
Hátránya azonban, hogy egyelőre a fizikusoknak nincs bizonyítékuk arra, hogy a szuperhúr elmélet helyes. Ez egy nagyon fontos elméleti koncepció a fizikában, amely megpróbál összeegyeztetni két, egyes pontokban eddig összeférhetetlen víziót: az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát, és ezért jelöltje lehet ennek kidolgozásáért folyó versenyben. "elméletek az egészről"vagy"a végső elmélet”- egyfajta fizikai grála, elméletek elmélete, amely minden ismert fizikai jelenséget teljes mértékben megmagyarázna és összekapcsolna. Miért van szükségünk ilyen elméletre? Mert egyelőre vannak olyan dolgok, amelyeket nem lehet teljesen megmagyarázni a két nagy fogalommal, amelyről beszéltünk:
- általános relativitáselmélet, amely leírja gravitáció és ami a tér-időben nagyon nagy léptékben történik. gravitáció az univerzumban ható 4 alapvető erő egyike.
- kvantumtérelmélet, ami arra utal, hogy mi történik nagyon kicsiben, részecskeszinten. Ennek alapján fejlesztették ki a részecskefizika standard modellje, amely leírja az anyag végtelen kis szerkezetét, azt a szintet, amelyen a másik 3 alapvető erő hat: gyenge atomerő, erős nukleáris erő és elektromágneses erő. Kapcsolódó és ismertebb fogalom az kvantummechanika, amely leírja, hogy a részecskék hogyan lépnek kapcsolatba e három erő létrehozásával. A gravitáció nem kerül a kvantummechanika szemléletébe, ezért néhány következetlenségről beszélünk, amelyek botokat tesznek a kísérlet kerekébe annak megállapítására, hogy mi a legkisebb dolog az univerzumban.
Amint láthatja, nem mind a 4 alapvető erő illeszkedik ugyanabba az elméletbe, ezért a sokat álmodott végső elmélet célja az, hogy megtalálja a módját, hogy mindet harmonikusan és teljesen összehozza, a két víziót egyesítve. egyetlen modell, amely leírja az anyag összes alapvető erőjét és formáját.
De egy ilyen végleges elmélet, amelyet a fizikusok túlnyomó többsége elfogad - például az általános relativitáselmélet és a kvantumtérelmélet - még nem készült el. A szuperhúr elmélete, mondtam, jelölt, nem megerősített nyertes.
A fekete lyukak szingularitásában
Ha nem támaszkodhatunk szuperhúrokra, milyen más megoldásaink vannak? Egy másik megközelítés az lenne, ha ezt vitatnánk a tér nem homogén és folyamatos, hanem pixelekből vagy "granulátumokból" áll, amelyek alkotják az úgynevezetteket kvantumhab vagy tér-idő hab, az Univerzum textúrájának alapjaként tekinthető. Ebben az esetben két részecske nem lesz képes végtelenül közel kerülni egymáshoz, mert őket mindig egy minimális térrel kell elválasztani, amely akkora, mint egy űrgranulátum.
Tehát jelöltünk van az univerzum legkisebb dolgának - az űrszemcsének - a címére.
Ha eddig úgy érzi, hogy ennyi fizikában megfogta a fülét, két hírünk van - egy jó és egy rossz, poén.
Jó hír - valóban jó lesz? - az, hogy ezt a kvantumhab-fogalmat még sok fizikus is nehezen „lenyeli”, akik nagyon homályosnak tartják; ezért nem meglepő, hogy bárki megzavarodhat, ha ilyesmiről hall.
A rossz hír az, hogy továbbra is mélyebben süllyedünk a Kozmosz gyeplőjébe, ahová soha senki és semmi nem térhet vissza: a fekete lyukak mélyére.
Mert egy másik jelölt a "világegyetem legkisebb dolgának" trófeára - hölgyeim és uraim! - a szingularitás a fekete lyuk közepén!
Ezek a titokzatos kozmikus struktúrák - fekete lyukak - akkor jönnek létre, amikor az anyag olyan kicsibe tömörül az űrbe, hogy a gravitáció mindent eláraszt, emiatt az anyag összenyomódik és összepréselődik, amíg végtelenül nagy sűrűségű pontig zsugorodik. a fizika jelenlegi törvényei szerint.
A fekete lyukak kialakulását leíró elméleti modellekben megjelenő fontos fogalom az gravitációs szingularitás (vagy szingularitás tér-idő), a tér-idő kontinuum olyan területe, amelyet a gravitációs mezőt leíró kvantitatív intézkedések végtelenné válnak. A fekete lyuk kialakulását a gravitációs szingularitás megjelenése kíséri benne: a gravitációs mező itt olyan erős lenne, hogy azt még csak meg sem lehetne mérni.
Tehát ez a végtelenül kicsi és végtelenül nagy sűrűségű pont lehet a legkisebb dolog, ami az Univerzumban létezik.
De a legtöbb szakértő nem hiszi, hogy a fekete lyukak még végtelenül sűrűek is. Úgy vélik, hogy ez a végtelenség a két elmélet közötti inkompatibilitás (amiről már beszéltünk) eredményeként végzett számításokból származik, ami általános relativitáselméletet és kvantummechanikát von maga után. Egyikük sem „takarja”, nem magyarázza el mindazt, ami az Univerzumban történik, mind nagy, mind kis léptékben. Szükségünk van egy egységes elméletre - például a kvantum gravitáció elmélete - majd a tudósok úgy vélik, hogy a hiányos tudás átka véget ér, a rejtély fátyla feloldódik, és kiderül a fekete lyukak valódi természete.
Addig nem kell mást tennünk, mint bízni egyes szakemberek megérzésében és tudásában, akik emberek lévén ebben a tekintetben is eltérő véleményen vannak. Andy Parker, a már idézett fizikus egyike azoknak, akik nem hisznek a szingularitás fölényében. "Az a véleményem, hogy sokkal kisebb, mint egy kvark, de nem hiszem, hogy végtelen sűrűsége lenne" - mondta a WordsSideKick.com-nek.
"Inkább azt mondanám, hogy a szingularitások milliók milliói milliószor kisebbek, mint a legkisebb dimenziók, amelyeket láthatunk."
És ha igen, akkor a szingularitások körülbelül akkorák lehetnek, mint a sztringek. De ez nem oldotta meg a problémát.
És mégis, a sok zavaros fogalom között nem lehetne valami konkrétabb, a klasszikus metrikus rendszerben kifejezett, számunkra könnyen érthető dimenzió, amely még akkor is, ha kisebb, mint bármi, amit el tudunk képzelni, ugyanakkor megnyugtató érzést keltett benne, hogy ez valami mérhető dolog?
Itt lép színre az úgynevezett jelenet Planck hossza. Az univerzumban a sztringek, szingularitások és pixelek/granulátumok ekkoraak lehetnek.
A Planck hossza megegyezik 1.61619926 × 10 - 35 méterrel (ha valóban kibontva akarsz írni, írj 0-t, tegyél vesszőt, írj még 34 nullát, majd 16-ot), ami egy olyan méret (vagy kicsi) értéke, amelyet nehéz elképzelni, de fontos, és amely a fizika számos aspektusában részt vesz.
Túl kicsi ahhoz, hogy meglévő mérőműszerekkel mérhető legyen; összetett számításokból származott, de vélhetően a legkisebb mérhető hosszúság elméleti határát képviseli.
Ezt a dimenziót az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika közötti választóvonalnak is tekintik, annak az értéknek, amelynél mindannyian eggyé válnak, és a történések leírására kvantum gravitáció - az az egységes elképzelés, amelyet még várunk valakinek a kialakulására, és a fizikusok által megértett és elfogadható egyenletek révén létezik.
Talán jó itt megállni azzal a megnyugtató hipotézissel, hogy a legkisebb és legkisebb dolog, ami a nagy univerzumban létezik, akkora méretű lenne, hogy bár gyakorlati eszközökkel (még mindig lehetetlen) mérni, legalábbis elméletileg létezik, és nekünk ad várakozási horizont, korlát a képzelet fárasztó erőfeszítéseinek a legkisebb dolog elképzelésére: Planck hosszának nagysága.