Що є найменшим у Всесвіті
Колись люди думали, що частинки розміром з пісок складають все навколо нас.
Потім це було осмислено атом і деякий час ми хиталися в ілюзії, що маємо відповідь: найменша неподільна одиниця речовини - це атом. Але прогрес, як ми знаємо, щодо кожної даної відповіді викликає ще більше запитань.
Коли люди дізнались, що атом, як би елементарно це не здавалося, в свою чергу складається з компонентів, вони почали замислюватися, як далеко можна було б пройти з цим науковим розщепленням дроту на чотири, в пошуках найменшого з існуючих. І відповіді відображають як прогрес знань, так і розчарування вчених, які стикаються з цією нестерпною загадкою Всесвіту.
Атом, який довгий час вважався неподільним, насправді складається з ядра та електронів. Ядро, в свою чергу, складається з протон і нейтрони.
Це нарешті здавалося фундаментальними частинками, за якими не могло бути нічого меншого. Але не! Протони та нейтрони обдурили наші надії: вони також виявилися складеними з ще більш дрібних частинок: кожен протон або нейтрон складається з трьох кварків.
Звичайно, наступне питання: чи є щось - навіть менші частинки - всередині кварків?
"Цього разу нам не вдалося знайти жодних доказів того, що в кварках щось було", - говорить фізик Енді Паркер, професор Кембриджського університету у Великобританії. "Чи досягли вони" найбільш фундаментального "рівня матерії?"
Насправді все ще складніше: навіть якщо кварки та електрони неподільні, це не означає, що вони обов’язково є найменшими «речами» з усіх існуючих. Вчені не знають, чи це найдрібніші фрагменти речовини, чи Всесвіт містить ще менші композиції.
Проблема полягає в куті підходу: математики та фізики перебувають на різних рівнях з точки зору поняття "найменша річ у Всесвіті". Математики не мають проблем уявити певні речі і продемонструвати їх у дусі математичної логіки та загальних принципів дисципліни, тоді як фізики хочуть доказів, конкретних результатів, експериментальних даних.
Наприклад, в експериментах надзвичайно дрібні частинки, такі як кварки та електрони, поводяться як "точки" в математичному/геометричному сенсі цього терміна.
Але існування та властивості точкових об’єктів суперечать законам фізики: математично кажучи, точка - це щось без вимірюваних розмірів (нульвимірне), і ви можете наблизитись до неї як можна, не торкаючись; Ви можете нескінченно наблизитися до точки, і тоді сили, що діють на цю точку, стають нескінченно великими. А з нескінченністю важко оперувати - хто може це виміряти? - отже, фізики ненавидять поняття нескінченності.
Намагаючись вирішити проблему, можна звернутися до іншої теорії у фізиці - теорія суперструн (або мотузки). Він концептуалізує всі частинки не як крапки, а як "рядки" (рядки), "петлі" або сітки. Уявіть собі гумку - звичайну гумку, кругову петлю, зроблену з гумової нитки, - і зменшуйте її у своїй уяві, наскільки зможете, - поки триває ваша фантазія. Такою річчю насправді були б частинки, говорить теорія суперструн.
І ці петлі поводяться зовсім інакше, ніж точки: вони не є нульовими розмірами, як точки, і ніщо не може наблизитися до такої нескінченно великої петлі, оскільки вона завжди буде трохи далі від області петлі, ніж високий. Отже, ці надструни вирішують деякі проблеми, пов’язані із сумішшю нескінченності, що зручно для фізиків.
Однак недоліком є те, що наразі фізики не мають доказів того, що теорія суперструн є правильною. Це дуже важлива теоретична концепція у фізиці, яка намагається узгодити два бачення, досі несумісні в певних пунктах: загальну теорію відносності та квантову механіку, тим самим будучи кандидатом у змаганні за розробку цьоготеорії цілого", або"остаточна теорія”- своєрідний Святий Грааль фізики, теорія теорій, яка повністю пояснювала б і пов’язувала всі відомі фізичні явища. Навіщо нам потрібна така теорія? Оскільки наразі є речі, які неможливо повністю пояснити двома великими концепціями, про які ми говорили:
- загальна теорія відносності, який описує сила тяжіння і що відбувається в дуже великих масштабах у просторі-часі. сила тяжіння є однією з 4 основних сил, що діють у Всесвіті.
- квантова теорія поля, що стосується того, що відбувається в дуже малому масштабі, на рівні частинок. На його основі було розроблено стандартна модель фізики частинок, який описує нескінченно малі структури речовини, рівень, на якому діють інші 3 основні сили: слабка ядерна сила, сильна ядерна сила і електромагнітна сила. Пов'язане та більш відоме поняття є квантова механіка, який описує, як частинки взаємодіють, генеруючи ці 3 сили. Гравітація не потрапляє в поле зору квантової механіки, а отже, і деякі невідповідності, про які ми поговоримо, і які вкладають палиці в колесо спроб визначити, що є найменшим у Всесвіті.
Як бачите, не всі 4 основоположні сили вписуються в одну і ту ж теорію, тому мета настільки омріяної остаточної теорії - знайти спосіб об’єднати їх усіх, гармонійно і цілком, об’єднавши два бачення разом. єдина модель, що описує всі основні сили та всі форми матерії.
Але така остаточна теорія, яка повинна бути прийнята переважною більшістю фізиків - така як теорія загальної теорії відносності та квантова теорія поля - ще не готова. Теорія суперструн - це, я вже говорив, кандидат, а не підтверджений переможець.
В особливості чорних дір
Якщо ми не можемо покладатися на суперструни, які ще рішення ми маємо? Іншим підходом було б аргументувати це простір не однорідний і неперервний, але складається з пікселів або "гранул", що складають те, що називається квантова піна або просторово-часова піна, розглядається як основа текстури Всесвіту. У цьому випадку дві частинки не зможуть нескінченно наблизитися одна до одної, оскільки їх завжди доведеться розділяти мінімальним простором розміром з космічну гранулу.
Отже, у нас є кандидат на звання найменшої речі у Всесвіті - космічної гранули.
Якщо до цього часу ви відчуваєте, що привернули увагу до такої кількості фізики, у нас є дві новини - хороші та погані.
Хороша новина - чи справді це буде добре? - полягає в тому, що цю концепцію квантової піни важко «проковтнути» навіть багатьом фізикам, які вважають її дуже розмитою; тому не дивно, що хтось може заплутатися, почувши про таке.
Погана новина полягає в тому, що ми будемо продовжувати занурюватися ще глибше в поводи Космосу, туди, куди ніхто і ніщо не може повернутися: у глибину чорних дір.
Тому що ще один кандидат на трофей "найменшої речі у Всесвіті" - дами та панове! - особливість в центрі чорної діри!
Ці таємничі космічні структури - чорні діри - утворюються, коли речовина конденсується у простір настільки малий, що сила тяжіння охоплює все, змушуючи речовину продовжувати стискатися та стискатися, поки вона не скорочується до точки нескінченно високої щільності. відповідно до чинних законів фізики.
Важливим поняттям, яке з’являється в теоретичних моделях, що описують утворення чорних дір, є гравітаційна особливість (або особливість простір-час), описується як область просторово-часового континууму, в якій кількісні міри, що описують гравітаційне поле, стають нескінченними. Утворення чорної діри супроводжується появою всередині неї гравітаційної особливості: гравітаційне поле тут було б настільки сильним, що його навіть не можна було б виміряти.
Отже, ця точка, нескінченно мала і з нескінченно високою щільністю, може бути найменшою річчю, що існує у Всесвіті.
Але більшість експертів не вірять, що чорні діри навіть нескінченно щільні. Вони вважають, що ця нескінченність є результатом обчислень в результаті несумісності (про яку ми вже говорили) між двома теоріями, що передбачає загальну теорію відносності та квантову механіку. Жоден з них, поодинці, «покриває», не пояснює всього, що відбувається у Всесвіті, як у великому, так і в малому масштабі. Нам потрібна об’єднавча теорія - наприклад теорія квантової гравітації - і тоді, вважають вчені, закінчиться прокляття неповного знання, зніметься завіса таємниць і розкриється справжня природа чорних дір.
До цього часу нам залишається лише довіряти інтуїції та знанням деяких спеціалістів, які, будучи людьми, також мають різні думки щодо цього. Енді Паркер, вже цитований фізик, є одним з тих, хто не вірить у верховенство сингулярності. "На мою думку, це набагато менше, ніж кварк, але я не думаю, що він мав би нескінченну щільність", - сказав він LiveScience.
"Я б скоріше сказав, що особливості в мільйони мільйонів разів менші за найменші розміри, які ми можемо побачити".
А якщо так, то особливості можуть бути приблизно розміром надструн. Але це не вирішило проблему.
І все ж, серед стільки заплутаних концепцій, ми не могли б мати нічого конкретнішого, виміру, вираженого в класичній метричній системі, легко зрозумілого для нас, виміру, який, навіть якщо він менший за все, що ми могли б собі уявити, це все ще давало обнадійливе відчуття, що це щось вимірне?
Тут у гру вступає так звана сцена Довжина Планка. Суперструни, сингулярності та пікселі/гранули у Всесвіті можуть мати такий розмір.
Довжина Планка дорівнює 1,61619926 × 10 - 35 метрів (якщо ви дійсно хочете писати в розгорнутому вигляді, напишіть 0, поставте кому, напишіть ще 34 нулі, а потім 16), значення розміру (або маленькості) важко уявити, але важливим і який бере участь у багатьох аспектах фізики.
Це занадто мало для вимірювання за допомогою існуючих вимірювальних приладів; він був результатом складних розрахунків, але, як вважають, представляє теоретичну межу найменшої вимірюваної довжини.
Цей вимір також розглядається як розділова лінія між загальною теорією відносності та квантовою механікою, значенням, при якому всі вони стають єдиним цілим, і що відбувається, можна описати квантова гравітація - це об’єднавче бачення, яке ми все ще чекаємо, поки хтось розвинеться, зробивши його існуючим за допомогою рівнянь, які фізики можуть зрозуміти та прийняти.
Можливо, тут добре зупинитися на втішній гіпотезі, що найменше і найменше, що існує у великому Всесвіті, має розмір, який, хоча (все ще) неможливо виміряти практичними засобами, існує принаймні теоретично і дає нам горизонт очікування, межа втомлюючих зусиль уяви, щоб уявити найменше: розмір довжини Планка.