Se dividi la materia nell'universo in costituenti sempre più piccoli, alla fine raggiungerai un limite di fronte a una particella fondamentale e indivisibile. Tutti gli oggetti macroscopici possono essere suddivisi in molecole, anche atomi, quindi elettroni (che sono fondamentali) e nuclei, quindi in protoni e neutroni, e infine al loro interno ci saranno quark e gluoni. Elettroni, quark e gluoni sono esempi di particelle fondamentali che non possono essere ulteriormente separate. Ma come è possibile che il tempo e lo spazio stesso abbiano gli stessi limiti? Perché esistono valori di Planck che non possono essere ulteriormente suddivisi?
Per capire da dove viene la quantità di Planck, vale la pena partire da due pilastri che governano la realtà: la relatività generale e la fisica quantistica.
La relatività generale collega la materia e l'energia che esistono nell'Universo con la curvatura e la deformazione del tessuto dello spazio-tempo. La fisica quantistica descrive come varie particelle e campi interagiscono tra loro all'interno del tessuto dello spazio-tempo, anche su scala molto piccola. Ci sono due costanti fisiche fondamentali che giocano un ruolo nella relatività generale: G è la costante gravitazionale dell'universo ec è la velocità della luce. G nasce perché pone un indicatore della deformazione spazio-temporale in presenza di materia ed energia; c - perché questa interazione gravitazionale si propaga nello spazio-tempo alla velocità della luce.
Nella meccanica quantistica compaiono anche due costanti fondamentali: ce h, dove quest'ultima è la costante di Planck. c è il limite di velocità per tutte le particelle, la velocità alla quale tutte le particelle prive di massa devono muoversi e la velocità massima alla quale qualsiasi interazione può propagarsi. La costante di Planck è stata incredibilmente importante nel descrivere come vengono quantizzati (contati) i livelli di energia quantistica, le interazioni tra le particelle e tutti i possibili esiti degli eventi. Un elettrone che ruota attorno a un protone può avere un numero qualsiasi di livelli di energia, ma tutti appaiono in passi discreti e la dimensione di questi passaggi è determinata da h.
Combina queste tre costanti, G, ce h, e puoi usare diverse combinazioni di esse per costruire una scala per lunghezza, massa e periodo di tempo. Questi sono noti, rispettivamente, come lunghezza di Planck, massa di Planck e tempo di Planck. (È possibile tracciare altre quantità, ad esempio, l'energia di Planck, la temperatura di Planck e così via). Tutto questo è, in generale, una scala di lunghezza, massa e tempo in cui, in assenza di altre informazioni, gli effetti quantistici saranno significativi. Ci sono buone ragioni per credere che sia così, ed è abbastanza facile capire perché è così.
Immagina di avere una particella di una certa massa. Poni la domanda: "Se la mia particella avesse una tale massa, quanto piccola dovrebbe essere compressa per renderla un buco nero?" Potresti anche chiedere: "Se avessi un buco nero di una certa dimensione, quanto tempo impiegherebbe una particella che si muove alla velocità della luce per coprire una distanza pari a questa dimensione?" La massa di Planck, la lunghezza di Planck e il tempo di Planck corrispondono esattamente a queste quantità: un buco nero con una massa di Planck sarà la lunghezza di Planck e si intersecherà alla velocità della luce nel tempo di Planck.
Video promozionale:
Ma la massa di Planck è molto, molto più massiccia di qualsiasi particella che abbiamo mai creato; è 10 (potenza 19) volte più pesante di un protone! La lunghezza di Planck, allo stesso modo, è 10 (14 potenza) volte inferiore a qualsiasi distanza che abbiamo mai suonato, e il tempo di Planck è 10 (25 potenza) volte inferiore a qualsiasi distanza misurata direttamente. Queste scale non sono mai state direttamente disponibili per noi, ma sono importanti per un altro motivo: l'energia di Planck (che puoi ottenere mettendo la massa di Planck in E = mc2) è la scala in cui gli effetti gravitazionali quantistici iniziano ad assumere importanza e significato.
Ciò significa che a energie di questa grandezza - o scale temporali più brevi del tempo di Planck, o scale di lunghezza inferiori alla lunghezza di Planck - le nostre attuali leggi della fisica devono essere violate. Gli effetti della gravità quantistica entrano in gioco e le previsioni della relatività generale non sono più affidabili. La curvatura dello spazio diventa molto grande, il che significa che anche lo "sfondo" che usiamo per calcolare le quantità quantistiche cessa di essere affidabile. L'incertezza nell'energia e nel tempo significa che le incertezze diventano più alte dei valori che sappiamo calcolare. Insomma, la fisica a cui siamo abituati non funziona più.
Questo non è un problema per il nostro universo. Queste scale di energia sono 10 (15 gradi) volte superiori a quelle che possono essere raggiunte dal Large Hadron Collider e 100.000.000 di volte più grandi delle particelle più energetiche create dall'Universo stesso (raggi cosmici ad alta energia) e persino 10.000 volte superiori agli indicatori raggiunti dall'Universo immediatamente dopo il Big Bang. Ma se volessimo esplorare questi limiti, c'è un posto in cui potrebbero essere importanti: alle singolarità situate al centro dei buchi neri.
In questi luoghi, le masse che superano significativamente la massa di Planck vengono compresse a una dimensione teoricamente inferiore alla lunghezza di Planck. Se c'è un posto nell'Universo in cui riuniamo tutte le linee in una e entriamo nella modalità Planck, allora è questo. Non possiamo accedervi oggi perché è oscurato dall'orizzonte degli eventi del buco nero ed è inaccessibile. Ma se siamo abbastanza pazienti - e ci vuole molta pazienza - l'universo ci darà questa opportunità.
Vedi, i buchi neri decadono lentamente nel tempo. L'integrazione della teoria quantistica dei campi nello spaziotempo curvo della relatività generale significa che una piccola quantità di radiazione viene emessa nello spazio al di fuori dell'orizzonte degli eventi e l'energia per questa radiazione proviene dalla massa del buco nero. Nel tempo, la massa del buco nero diminuisce, l'orizzonte degli eventi si contrae e, dopo 10 anni (fino alla 67a potenza), il buco nero della massa solare evaporerà completamente. Se potessimo accedere a tutte le radiazioni che hanno lasciato il buco nero, inclusi gli ultimi momenti della sua esistenza, potremmo senza dubbio essere in grado di mettere insieme tutti gli effetti quantistici che le nostre migliori teorie non hanno previsto.
Non è affatto necessario che lo spazio non possa essere diviso in unità ancora più piccole della lunghezza di Planck, e che il tempo non possa essere diviso in unità più piccole del tempo di Planck. Sappiamo solo che la nostra descrizione dell'universo, comprese le nostre leggi della fisica, non può andare oltre queste scale. Lo spazio è quantificabile? Il tempo scorre davvero continuamente? E cosa facciamo riguardo al fatto che tutte le particelle fondamentali conosciute nell'universo hanno masse molto, molto meno di quelle di Planck? Non ci sono risposte a queste domande in fisica. Le scale di Planck non sono così fondamentali nel limitare l'universo come nella nostra comprensione dell'universo. Quindi continuiamo a sperimentare. Forse, quando avremo più conoscenza, riceveremo risposte a tutte le domande. Non ancora.
ILYA KHEL
