Което е най-малкото нещо във Вселената
Някога хората мислеха, че частиците с размерите на пясъчни зърна съставляват всичко около нас.
След това беше концептуализирано атом и за известно време се люшкахме в илюзията, че имаме отговора: най-малката неделима единица на материята е атомът. Но напредъкът, както знаем, за всеки отговор, който дава, поражда още повече въпроси.
Когато хората научиха, че атомът, колкото и елементарен да изглежда, на свой ред е съставен от компоненти, те започнаха да се чудят докъде би могло да се стигне с това научно разделяне на жицата на четири, в търсене на най-малкото нещо, което съществува. И отговорите отразяват както напредъка на знанието, така и разочарованието на учените, изправени пред тази мъчителна загадка на Вселената.
Атомът, който дълго се смяташе за неделим, всъщност е изграден от ядро и електрони. Ядрото от своя страна се състои от протон и неутрони.
Това най-накрая изглеждаше като основни частици, отвъд които не можеше да има нищо по-малко. Но не! Протоните и неутроните измамиха нашите надежди: те също се оказаха съставени от още по-малки частици: всеки протон или неутрон се състои от три кварка.
Разбира се, следващият въпрос е: има ли нещо - дори по-малки частици - вътре в кварките?
„Този път не успяхме да намерим никакви доказателства, че има нещо в кварките“, казва физикът Анди Паркър, професор от университета в Кеймбридж в Обединеното кралство. „Постигнали ли са„ най-фундаменталното “ниво на материята?“
Всъщност нещата са още по-сложни: дори ако кварките и електроните са неделими, това не означава, че те непременно са най-малките „неща“ от всичко, което съществува. Учените не знаят дали това са най-малките фрагменти от материя, или Вселената съдържа още по-малки композиции.
Проблемът е в ъгъла на подход: математиците и физиците са на различни нива по отношение на концепцията за „най-малкото нещо във Вселената“. Математиците нямат проблем да си представят определени неща и да ги демонстрират в духа на математическата логика и общите принципи на дисциплината, докато физиците искат доказателства, конкретни резултати, експериментални данни.
Например, в експериментите изглежда, че изключително малки частици като кварки и електрони се държат като "точки" в математически/геометричен смисъл на термина.
Но съществуването и свойствата на точковите обекти влизат в противоречие със законите на физиката: математически казано, точката е нещо без измерими измерения (нулеви измерения) и можете да се приближите до нея колкото можете, без да я докосвате; можете да се приближите безкрайно до точка и тогава силите, действащи върху тази точка, стават безкрайно големи. А с безкрайността е трудно да се работи - кой може да я измери? - така че физиците мразят идеята за безкрайност.
В опит да реши проблема, човек може да се обърне към друга теория във физиката - теория на суперструните (или въжета). Той концептуализира всички частици не като точки, а като „струни“ (низове), „контури“ или мрежи. Представете си ластик - обикновен ластик, кръгъл контур, направен от гумена нишка - и го намалете във въображението си, доколкото можете - стига да продължи въображението ви. Такива неща всъщност биха били частици, казва теорията на суперструните.
И тези цикли се държат съвсем различно от точките: те не са нулеви измерения като точки и нищо не може да се доближи до такъв безкрайно много цикъл, защото той винаги ще бъде малко по-далеч от областта на цикъла, отколкото Високо. Така че тези суперструни изглежда решават някои от проблемите, свързани със смесването на безкрайността, което е удобно за физиците.
Недостатъкът обаче е, че засега физиците нямат доказателства, че теорията за суперструните е вярна. Това е теоретична концепция във физиката, много важна, която се опитва да съгласува две видения, несъвместими досега в определени точки: общата теория на относителността и квантовата механика, като по този начин е кандидат в състезанието за разработването на това "теории за цялото", или "окончателната теория”- един вид Свещен Граал на физиката, теория на теориите, която напълно обяснява и свързва всички известни физически явления. Защо се нуждаем от такава теория? Защото засега има неща, които не могат да бъдат напълно обяснени от двете велики концепции, за които говорихме:
- обща теория на относителността, което описва земно притегляне и какво се случва в много голям мащаб в пространството-времето. земно притегляне е една от 4-те основни сили, действащи във Вселената.
- квантова теория на полето, което се отнася до това, което се случва в много малък мащаб, на ниво частици. Въз основа на него е разработен стандартният модел на физиката на частиците, който описва безкрайно малките структури на материята, нивото, на което действат останалите 3 основни сили: слаба ядрена сила, силна ядрена сила и електромагнитна сила. Свързана и по-известна концепция е квантова механика, което описва как взаимодействат частиците, за да генерират тези 3 сили. Гравитацията не влиза в полезрението на квантовата механика и следователно има някои несъответствия, за които ще говорим и които поставят пръчки в колелото на опитите да се определи кое е най-малкото нещо във Вселената.
Както можете да видите, не всички 4 основни сили се вписват в една и съща теория, така че целта на така мечтаната окончателна теория е да намери начин да ги обедини, хармонично и напълно, обединявайки двете видения заедно. един-единствен модел, описващ всички основни сили и всички форми на материята.
Но такава окончателна теория, която да бъде приета от по-голямата част от физиците - като теорията на общата теория на относителността и квантовата теория на полето - все още не е готова. Теорията за суперструните е, казвах, кандидат, а не потвърден победител.
В особеността на черните дупки
Ако не можем да разчитаме на суперструни, какви други решения имаме? Друг подход би бил да се аргументира това пространството не е еднородно и непрекъснато, но се състои от пиксели или "гранули", съставляващи това, което се нарича квантова пяна или пространство-време пяна, разглежда като основа на структурата на Вселената. В този случай две частици няма да могат да се доближат безкрайно една до друга, защото винаги ще трябва да бъдат разделени с минимално пространство с размерите на космическа гранула.
И така, имаме кандидат за титлата на най-малкото нещо във Вселената - космическата гранула.
Ако досега чувствате, че сте хванали ушите си в толкова много физика, имаме две новини - една добра и друга лоша, шеги.
Добрата новина - наистина ли ще е добра? - е, че тази концепция за квантова пяна е трудна за „поглъщане“ дори за много физици, които я смятат за много неясна; следователно не е изненадващо, че всеки може да се обърка, когато чуе за такова нещо.
Лошата новина е, че ще продължим да потъваме още по-дълбоко в юздите на Космоса, там, където никой и нищо никога не може да се върне: в дълбините на черните дупки.
Защото друг кандидат за трофея „най-малкото нещо във Вселената“ е - дами и господа! - сингулярността в центъра на черна дупка!
Тези загадъчни космически структури - черни дупки - се образуват, когато материята се кондензира в толкова малко пространство, че гравитацията обхваща всичко, което кара материята да продължава да се компресира и компресира, докато се свие до точка с безкрайно висока плътност. според действащите закони на физиката.
Важно понятие, което се появява в теоретичните модели, които описват образуването на черни дупки, е гравитационна сингулярност (или сингулярност пространство-време), описана като област от пространствено-времевия континуум, в която количествените мерки, описващи гравитационното поле, стават безкрайни. Образуването на черна дупка е придружено от появата на гравитационна сингулярност вътре в нея: гравитационното поле тук би било толкова силно, че дори не би могло да бъде измерено.
Така че тази точка, безкрайно малка и с безкрайно висока плътност, може да бъде най-малкото нещо, което съществува във Вселената.
Но повечето експерти не вярват, че черните дупки са дори безкрайно гъсти. Те смятат, че тази безкрайност е резултат от изчисления в резултат на несъвместимостта (за която говорихме) между двете теории, което предполага обща теория на относителността и квантовата механика. Никой от тях сам не „покрива“, не обяснява всичко, което се случва във Вселената, както в голям, така и в малък мащаб. Нуждаем се от обединяваща теория - например теория на квантовата гравитация - и тогава, вярват учените, проклятието на непълното знание ще приключи, завесата на мистерията ще бъде премахната и истинската същност на черните дупки ще бъде разкрита.
Дотогава всичко, което трябва да направим, е да се доверим на интуицията и знанията на някои специалисти, които като хора също имат различни мнения в това отношение. Анди Паркър, цитираният вече физик, е един от онези, които не вярват в превъзходството на сингулярността. "Моето мнение е, че е много по-малък от кварк, но не мисля, че би имал безкрайна плътност", каза той пред LiveScience.
"По-скоро бих казал, че особеностите са милиони милиони пъти по-малки от най-малките измерения, които можем да видим."
И ако е така, тогава особеностите могат да бъдат около размера на суперструните. Но това не реши проблема.
И все пак, сред толкова много объркващи понятия, не бихме могли да имаме нещо по-конкретно, измерение, изразено в класическата метрична система, лесно разбираемо за нас, измерение, което, дори и да е по-малко от всичко, което можем да си представим, да това обаче даваше успокояващото усещане, че е нещо измеримо?
Тук влиза в сила така наречената сцена Дължина на Планк. Суперструните, сингулярностите и пикселите/гранулите във Вселената могат да имат този размер.
Дължината на Планк е равна на 1,61619926 × 10 - 35 метра (ако наистина искате да пишете в разгънато състояние, напишете 0, поставете запетая, напишете още 34 нули и след това 16), стойност на размер (или малка), трудно да си представите, но важно и което участва в много аспекти на физиката.
Той е твърде малък, за да се измерва със съществуващите измервателни уреди; тя е резултат от сложни изчисления, но се смята, че представлява теоретичната граница на най-малката измерима дължина.
Това измерение се счита и за разделителна линия между общата теория на относителността и квантовата механика, стойността, при която всички те се превръщат в едно, и това, което се случва, може да бъде описано от квантова гравитация - тази обединяваща визия, която все още чакаме някой да се развие, създавайки я чрез уравнения, които физиците могат да разберат и приемат.
Може би е добре да се спрем тук, с утешителната хипотеза, че най-малкото и най-малкото нещо, което съществува във великата Вселена, би било с размер, който макар и (все още) невъзможно да се измери с практически средства, съществува поне теоретично и ни дава хоризонт на изчакване, ограничение за уморителните усилия на въображението, за да си представим най-малкото нещо: размера на дължината на Планк.