Вселенная от планковского времени

Планковские единицы

Макс Планк по праву считается великим физиком. Он стал основателем квантовой физики, работал в области термодинамики, поддерживал и разрабатывал специальную теорию относительности Эйнштейна. Фундаментальные величины, которыми пользуются ныне, тоже его заслуга. Постоянная Планка, открытие квантов и ещё много иных научных достижений привели учёного к закономерному итогу – Нобелевской премии. Занятия наукой не мешали ему быть человеком остроумным. Например, он всерьёз доказывал, что у чайной чашки есть две ручки, но они развёрнуты на 360 о . А его замечание о том, что торжество истины приходит по мере вымирания её противников, так близко пониманию многих.

Планковские величины

Эти величины были обнародованы Планком 18 мая 1899 года. Учёный предложил систему «естественных единиц измерений», которая была основана на четырёх универсальных постоянных:

• Скорость света
• Гравитационная постоянная
• Постоянная Планка
• Постоянная Больцмана

Планковская длина

В Международной системе единиц (СИ) значение такого параметра определено примерно в 1,6 . 10 -35 м. В эту естественную единицу вошли фундаментальные константы: скорость света, постоянная Планка, гравитационная постоянная. Наблюдаемая Вселенная имеет приблизительный радиус, равный 4,6 . 10 61 планковских длин.

Планковское время

Эта единица имеет размерность времени и состоит из произведения фундаментальных констант. В физическом смысле – это время, необходимое частице, двигающейся со скоростью света, на преодоление планковской длины. Результатом Большого взрыва стало расширение пространства-времени из бесконечно малой точки. По прошествии одной такой единицы времени, гравитационные силы начинают отделяться от всех остальных сил. То время, что прошло после Большого взрыва, определяется в параметре 4,3 . 10 17 с, что равно 8 . 10 60 планковских времён. На нынешний момент минимальный отрезок времени, доступный наблюдению, составил около аттосекунды, или 10 26 величин времени Планка.

Планковская температура

Для современной физической теории невозможна величина температуры выше планковского значения. При параметрах больших энергия частиц увеличивается так сильно, что связывающие их силы сравниваются с остальными взаимодействиями. Такую температуру имела Вселенная в планковское время после Большого взрыва. Значение её непредставимо – 1,41679(11) . 10 32 К (141 нониллион 679 октиллионов кельвинов).

Планковская масса

Планковская масса — величина минимальной массы чёрной дыры или максимально тяжелой элементарной частицы. Эта величина выделяется из других единиц Планка тем, что масштаб её более понятен. Поскольку значение её 2,176 . 10 -8 кг (дли физики элементарных частиц – 2,43 . 10 18 ГэВ/с 2 ), она подходит для взвешивания ощутимых объектов. Например, блоха будет иметь массу в пределах от 4000 до 5000 планковских масс. Предложена гипотетическая частица, наделённая подобной массой – максимон. Такие частицы могут обладать электрическим зарядом, а могут оставаться нейтральными. Внутренняя температура их может быть предельно большой, или же они могут оставаться холодными.

Планковский заряд

Эта единица является одной из основных в планковской системе. Она выражается количеством электрического заряда, который определён терминами фундаментальных констант. Значение этой единицы 1,87554 . 10 -18 кулон. Этот заряд по модулю превышает заряд электрона примерно в 11,706 раза.

Планковская плотность

За единицу плотности в этой системе принята плотность Вселенной по завершении планковской эпохи после Большого взрыва. Величина этого параметра огромна. Она сопоставима с 10 23 масс Солнца, которые сжали в пространстве до размера ядра атома. Это значение является предельной плотностью для материи.

Планковская эпоха

С именем Планка связаны многие величины и законы. В частности, физическая космология называет его именем эпоху самого раннего периода истории наблюдаемой нами Вселенной. Этот непродолжительный период, по теоретическим предположениям, продолжался в течение планковского времени, имеющего значение от 0 до 10 -43 секунд. В эту эпоху – около 13,8 млрд. лет назад – всё вещество Вселенной обладало энергией порядка 10 19 ГэВ и было сосредоточено в одной точке. Радиус этой точки имел значение

10 −35 м, плотность

10 97 кг/м 3 , а температура

10 32 К. Поскольку размеры Вселенной были исключительно малы, случилось преобладание квантовых эффектов гравитации над физическими взаимодействиями. Невероятные значения температуры и плотности делали вещество неустойчивым. Произошло нарушение симметрии, что привело к проявлению фундаментальных сил – гравитационное воздействие отделилось от других фундаментальных взаимодействий.

Постоянная Планка

Постоянная (квант действия) считается основной константой квантовой теории. Она является коэффициентом, связывающим количество энергии кванта электромагнитного излучения и его частоту. Это же справедливо для любых линейных колебательных физических систем и их частот. Параметр этой постоянной переопределён в 2011 году, и теперь она имеет значение 6,62606Х . 10 -34 Дж . с. Символ «Х» поставлен вместо одной или нескольких значимых цифр, которые определятся в дальнейшем с большей точностью. Предназначением постоянной Планка является связывание двух систем единиц – квантовой и традиционной.

Планковские чёрные дыры

Этот тип чёрной дыры пока гипотетичен, но если они существуют, минимальная масса их должна быть равна планковской массе. Этот объект соответствует предполагаемому максимону, частице с такой же массой. Вероятно, что эта гипотетическая чёрная дыра – конечный продукт жизни обычной чёрной дыры. Она должна быть стабильна и не иметь излучения Хокинга. Плотность такого объекта будет выражаться значением порядка 10 94 кг/м 3 . Такие масштабы физики станет описывать квантовая гравитация, если учёные смогут разработать надлежащие теории.

На границе XX и XXI веков началась революция перехода метрологии в квантовую стадию. Она не в полном объёме основана на планковской системе, но всё-таки стоит на её фундаменте. Именно планковские единицы являются определяющими для применения современных физических теорий. Вдумываясь в значения планковских величин, невольно пытаешься представить эти невероятные массы и расстояния, плотности и время. Это очень сложно, практически нереально, но желание проникнуть в тайны природы всегда озаряло человеческую мысль…

Источник

Планковская длина и планковское время: хранители тайн Вселенной

За последние 100 лет физики построили точные и действенные теории о Вселенной — от самого маленького до самого большого. Однако есть масштабы, на которых все эти теории не работают и которые хранят самые большие тайны о законах природы.

Мы привыкли жить в мире крупных, макроскопических вещей. Все, с чем сталкивается обычный человек в течение дня — от чашки кофе с утра до огромного огненного шара в небе под названием Солнце, — вещи, которые мы можем либо видеть, либо осязать. Однако еще в Древней Греции философы, в частности Демокрит и его учитель Левкипп, предположили, что все состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов (в переводе с греческого буквально означает «неделимый»).

Со временем был открыт атом, а затем и его свойство, что он вовсе не неделимый, а состоит из ядра и вращающегося вокруг него электрона. Затем выяснилось, что и ядро состоит из протонов и нейтронов. Еще позже были открыты кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер. Эти миниатюрные частицы называют элементарными. Помимо кварков, среди элементарных частиц есть уже упомянутые электроны, бозоны, нейтрино и фотоны. Все они считаются теми самыми древнегреческими «атомами» — неделимыми.

В 1899 году (в некоторых источниках — в 1900-м) немецкий физик и по совместительству основоположник квантовой теории Макс Планк предложил особую меру измерения — планковские единицы. Это единицы, предназначенные для упрощения определенных алгебраических выражений, присутствующих в теоретической физике, в частности в квантовой механике. В число их входят такие фундаментальные единицы, как планковская масса, планковская температура, планковская длина и планковское время. В этом материале мы рассмотрим планковскую длину и планковское время и попробуем сделать это наиболее понятным способом, без сложных математических выкладок (хотя некоторые формулы нам понадобятся).

Как вы уже знаете, физика занимается изучением не только огромных космических структур вроде галактик и туманностей, но и невероятно маленькими явлениями на атомном и субатомном масштабах. Однако существует еще одна реальность в масштабах, которые намного меньше того, что науке удалось изучать. На этом уровне есть величина, настолько сильно выходящая за рамки традиционного понимания «маленького», что ее тяжело представить. Это планковская длина — она в 1020 раз меньше диаметра ядра атома водорода. Предполагается (или, точнее сказать, подозревается), что именно на этом уровне формируется «пена» пространства-времени. Чтобы осознать, о какой величине идет речь, можно заглянуть в анимацию «Масштаб Вселенной» по этой ссылке.

И все же о каких размерах идет речь? Планковская длина составляет всего 1,616 х 10-35 метра. Вычислить ее можно при помощи уравнения, включающего в себя целых три фундаментальные константы — постоянную Планка (6,6261 х 10-34), скорость света в вакууме (2,29979 х 108 м/с) и гравитационную постоянную (6,6738 х 10-11):

Впервые Макс Планк пришел к этой примечательной единице после работы над излучением черного тела и квантовой механики. Вероятно, вы слышали, что это самая малая возможная длина.

Тут, как и в случае с древнегреческой концепцией атома, можно сказать: «Конечно, если у меня есть некая длина и я разделяю ее пополам, а затем повторяю это снова и снова, я буду получать все меньшие и меньшие значения». Однако мы говорим о масштабах, на которых физика уже не способна делать то же, что и математика. Один из самых ярких примеров таких невозможностей — движение со сверхсветовой скоростью. То есть на бумаге вы можете применить к массе силу и ускорить ее до скорости света и выше, но нам известно, что в природе это попросту физически невозможно, поскольку масса объекта (а значит, и энергия, необходимая для его ускорения) возрастает бесконечно. Получается, мы не способны осуществить в реальности все, что можем сделать на бумаге.

Итак, каким образом такая малая величина вписывается в физику? Если две частицы разделены планковской длиной или еще меньшим расстоянием, то невозможно определить позиции каждой из них. Более того, любые эффекты квантовой гравитации на этом масштабе (если они вообще есть) неизвестны науке, так как там само пространство не определено должным образом. В некотором смысле можно сказать: даже если бы мы разработали методы измерений, способные «заглянуть» в эти масштабы, мы никогда не смогли бы измерить что-либо меньшее, вне зависимости от дальнейшего совершенствования наших методов и оборудования.

Согласно стандартной космологической модели Вселенная родилась в результате Большого взрыва, начавшегося в бесконечно плотной точке. Особенно интересно то, что физики и космологи не имеют ни малейшего понятия, какие законы физики господствовали во Вселенной, прежде чем она превысила по своим размерам планковскую длину, так как еще нет подтвержденной теории квантовой гравитации. Тем не менее эта единица оказалась полезной во множестве разных уравнений, которые помогли вычислить и исследовать некоторые из самых главных тайн Вселенной.

Например, планковская длина — ключевой компонент в уравнении Бекенштейна и Хокинга для расчета энтропии черной дыры. Струнные теоретики считают, что именно на этом масштабе существуют «вибрирующие» струны, из которых состоят элементарные частицы Стандартной модели. Вне зависимости от того, верна теория струн или нет, с уверенностью можно сказать одно: в поиске объединенной теории всего понимание планковской длины и связанной с ней физики сыграет ключевую роль.

Источник

Планковская эпоха

Планковская эпоха – наиболее ранний этап формирования Вселенной, который может быть теоретически обоснован и описан. Свое название получил по той причине, что в конце этой эпохи Вселенная обладала свойствами, значения которых равнялись планковским единицам. То есть на тот момент Вселенная обладала планковской энергией (

10 ^19 ГэВ), имела радиус, равный планковской длине (

10 ^- 35 м), плотность (

10 ^97 кг/м³) и температуру (

10 ^32 К). Сама же эпоха длилась ровно одно планковское время – от нулевого значения до 10 ^- 43 секунд.

Состояние Вселенной до планковской эпохи остается неизвестным, так как не поддается никакому современному теоретическому объяснению. Саму же планковскую эпоху также изучить не удается, по той причине, что планковские единицы, определяющие свойства Вселенной в тот период, в большинстве своем являются предельными значениями для применения квантовой механики и релятивистской гравитации. То бишь эти теоретические конструкции не способны описать процессы, протекающие за время меньше планковского, в области радиусом меньше планковской длины. Согласно имеющимся предположениям в период планкоской эпохи все фундаментальные взаимодействия были объединены, в том числе и гравитационные силы. Последние были сопоставимы с силами других взаимодействий. Однако по причине такого процесса, как нарушение симметрии, в конечный момент эпохи – гравитационные силы отделились от прочих.

Для большего понимания мира, существовавшего в планковскую эпоху, ученым требуется объяснить гравитационное взаимодействие при помощи квантовой механики, то есть создать так называемую теорию «квантовой гравитации». В случае успеха, теоретики смогут объединить все четыре вида взаимодействия в один, что было названо «теорией всего». С наличием сформулированной теорией всего, появится возможность лучше понять процессы, протекающие в период планковской эпохи.

Без этой теоретической конструкции физикам не удается учесть квантовые эффекты гравитации, что приводит к тому факту, что Вселенная появилась из сингулярности бесконечной плотности.

Теория струн – одна из немногих теорий, имеющих перспективу объединить все фундаментальные взаимодействия.

Источник

Планковская эпоха

Планковская эпоха – наиболее ранний этап формирования Вселенной, который может быть теоретически обоснован и описан. Свое название получил по той причине, что в конце этой эпохи Вселенная обладала свойствами, значения которых равнялись планковским единицам. То есть на тот момент Вселенная обладала планковской энергией (

10 19 ГэВ), имела радиус, равный планковской длине (

10 −35 м), плотность (

10 97 кг/м³) и температуру (

10 32 К). Сама же эпоха длилась ровно одно планковское время – от нулевого значения до 10 −43 секунд.

Материалы по теме

Размер Вселенной

Состояние Вселенной до планковской эпохи остается неизвестным, так как не поддается никакому современному теоретическому объяснению. Саму же планковскую эпоху также изучить не удается, по той причине, что планковские единицы, определяющие свойства Вселенной в тот период, в большинстве своем являются предельными значениями для применения квантовой механики и релятивистской гравитации. То бишь эти теоретические конструкции не способны описать процессы, протекающие за время меньше планковского, в области радиусом меньше планковской длины. Согласно имеющимся предположениям в период планкоской эпохи все фундаментальные взаимодействия были объединены, в том числе и гравитационные силы. Последние были сопоставимы с силами других взаимодействий. Однако по причине такого процесса, как нарушение симметрии, в конечный момент эпохи – гравитационные силы отделились от прочих.

Для большего понимания мира, существовавшего в планковскую эпоху, ученым требуется объяснить гравитационное взаимодействие при помощи квантовой механики, то есть создать так называемую теорию «квантовой гравитации». В случае успеха, теоретики смогут объединить все четыре вида взаимодействия в один, что было названо «теорией всего». С наличием сформулированной теорией всего, появится возможность лучше понять процессы, протекающие в период планковской эпохи.

Без этой теоретической конструкции физикам не удается учесть квантовые эффекты гравитации, что приводит к тому факту, что Вселенная появилась из сингулярности бесконечной плотности.

Теория струн – одна из немногих теорий, имеющих перспективу объединить все фундаментальные взаимодействия.

‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Планковская эпоха» title=»Планковская эпоха»>

Источник