Почему существуют пределы того, что могут прогнозировать физики?
Если делить вещество во Вселенной на все меньшие и меньшие составляющие, вы в конечном итоге достигнете ограничения, столкнувшись с фундаментальной и неделимой частицей. Все макроскопические объекты можно поделить на молекулы, даже атомы, затем электроны (которые фундаментальны) и ядра, затем на протоны и нейтроны, и, наконец, внутри них будут кварки и глюоны. Электроны, кварки и глюоны — примеры фундаментальных частиц, которые нельзя разделить еще больше. Но как такое возможно, чтобы у самого времени и пространства были такие же ограничения? Почему вообще существуют значения Планка, которые уже нельзя делить дальше?
Чтобы понять, откуда берется планковская величина, стоит начать с двух столпов, которые управляют реальностью: общая теория относительности и квантовая физика.
Общая теория относительности связывает материю и энергию, существующие во Вселенной, с кривизной и деформацией ткани пространства-времени. Квантовая физика описывает, как различные частицы и поля взаимодействуют между собой внутри ткани пространства-времени, в том числе и в очень малых масштабах. Существует две фундаментальные физические константы, которые играют роль в общей теории относительности: G — гравитационная постоянная Вселенной, и c — скорость света. G возникает, поскольку задает показатель деформации пространства-времени в присутствии вещества и энергии; c — потому что это гравитационное взаимодействие распространяется в пространстве-времени на скорости света.
В квантовой механике тоже появляется две фундаментальные константы: c и h, где последняя — это постоянная Планка. c — это ограничение скорости всех частиц, скорость, с которой должны двигаться все безмассовые частицы, и максимальная скорость, с которой может распространяться любое взаимодействие. Постоянная Планка была невероятной важной для описания того, как квантуются (считаются) квантовые энергетические уровни, взаимодействия между частицами и все возможные исходы событий. Электрон, вращающийся вокруг протона, может иметь любое количество энергетических уровней, но все они появляются дискретными шагами, и размер этих шагов определяется h.
Совместите три этих постоянных: G, c и h, и сможете использовать разные их сочетания для построения шкалы длины, массы и периода времени. Они известны, соответственно, как длина Планка, масса Планка и время Планка. (Можно построить и другие величины, например, энергию Планка, температуру Планка и так далее). Все это, в общем и целом, шкала длины, массы и времени, при которых — в отсутствие какой-либо другой информации — будут значительными квантовые эффекты. Есть хорошие причины полагать, что это так и есть, и довольно легко понять — почему так.
Представьте, что у вас есть частица определенной массы. Вы задаете вопрос: "Если бы моя частица имела такую массу, в насколько малый объем ее нужно сжать, чтобы она стала черной дырой?". Вы еще можете спросить: "Если бы у меня была черная дыра определенного размера, за какое время частица, двигающаяся на скорости света, преодолела бы расстояние, равное этому размеру?". Масса Планка, длина Планка и время Планка соответствуют именно таким величинам: черная дыра планковской массы будет планковской длины и пересекаться со скорость света за планковское время.
Но планковская масса намного, намного более массивна, чем любые частицы, которые мы когда-либо создавали; она в 1019 раз тяжелее протона! Длина Планка, точно так же, в 1014 раз меньше любого расстояния, которое мы когда-либо зондировали, а планковское время в 1025 раз меньше любого прямо измеренного. Эти масштабы никогда не были напрямую доступны для нас, но они важны по другой причине: планковская энергия (которую вы можете получить, поместив планковскую массу в E = mc2) – это масштаб, при котором квантово-гравитационные эффекты начинают приобретать важность и значимость.
Это значит, что при энергии такой величины — или временных масштабах короче времени Планка, или шкалы длины меньше длины Планка — наши нынешние законы физики должны нарушаться. В игру вступают эффекты квантовой гравитации, и предсказания общей теории относительности перестают быть надежными. Кривизна пространства становится очень большой, а значит и "фон", который мы используем для расчета квантовых величин, тоже перестает быть надежным. Неопределенность энергии и времени означает, что неопределенности становятся выше значений, которые мы знаем как рассчитать. Короче говоря, привычная нам физика больше не работает.
Для нашей Вселенной это не проблема. Эти энергетические масштабы в 1015 раз выше, чем те, которых может достичь Большой адронный коллайдер, и в 100 000 000 раз больше самых энергетических частиц, которые создает сама Вселенная (космические лучи высокой энергии), и даже в 10 000 раз выше показателей, которых достигла Вселенная сразу после Большого Взрыва. Но если бы мы хотели исследовать эти пределы, есть одно место, где они могут быть важны: в сингулярностях, расположенных в центрах черных дыр.
В этих местах массы, значительно превосходящие планковскую массу, сжимаются в размер, теоретически меньший длины Планка. Если во Вселенной есть место, где мы сводим все линии в одну и входим в режим Планка, то это оно. Мы не можем получить к нему доступ сегодня, потому что оно закрыто горизонтом событий черной дыры и недоступно. Но если мы будем достаточно терпеливы — а терпения потребуется много — Вселенная даст нам такую возможность.
Видите ли, черные дыры со временем медленно распадаются. Интеграция квантовой теории поля в искривленном пространстве-времени ОТО означает, что небольшое количество излучения испускается в пространстве вне горизонта событий, а энергия для этого излучения исходит из массы черной дыры. Со временем масса черной дыры уменьшается, горизонт событий сжимается, и через 1067 лет черная дыра солнечной массы полностью испарится. Если бы мы могли получить доступ ко всему излучению, покинувшему черную дыру, включая самые последние моменты ее существования, мы, несомненно, смогли бы собрать воедино все квантовые эффекты, которых не предсказывали наши лучшие теории.
Совсем не обязательно, что пространство нельзя разделить на еще более мелкие единицы, чем планковская длина, и что время нельзя разделить на единицы меньшие, чем планковское время. Просто мы знаем, что наше описание Вселенной, в том числе наши законы физики, не могут выйти за пределы этих масштабов. Квантуемо ли пространство? Течет ли время непрерывно на самом деле? И что нам делать с тем фактом, что все известные фундаментальные частицы во Вселенной имеют массы намного, намного меньше планковской? На эти вопросы в физике нет ответов. Планковские масштабы не столь фундаментальны в ограничении Вселенной, сколь в нашем понимании Вселенной. Поэтому мы продолжаем экспериментировать. Возможно, когда у нас будет больше знаний, мы получим ответы на все вопросы. Пока нет.
