Negli ultimi 100 anni, i fisici hanno costruito teorie accurate e potenti sull'universo, dal più piccolo al più grande. Tuttavia, ci sono scale su cui tutte queste teorie non funzionano e che contengono i più grandi segreti sulle leggi della natura.
Siamo abituati a vivere in un mondo di cose grandi e macroscopiche. Tutto ciò che la persona media incontra durante il giorno - da una tazza di caffè al mattino a un'enorme palla di fuoco nel cielo chiamata Sole - sono cose che possiamo vedere o toccare. Tuttavia, anche nell'antica Grecia, i filosofi, in particolare Democrito e il suo maestro Leucippo, suggerivano che tutto fosse costituito dalle particelle più piccole indivisibili - atomi (tradotto letteralmente dal greco significa "indivisibile").
Nel tempo è stato scoperto l'atomo, e quindi la sua proprietà che non è affatto indivisibile, ma consiste in un nucleo e un elettrone che gli ruotano attorno. Quindi si è scoperto che il nucleo è costituito anche da protoni e neutroni. Anche più tardi furono scoperti i quark, di cui sono composti i protoni ei neutroni dei nuclei atomici. Queste minuscole particelle sono chiamate elementari. Oltre ai quark, tra le particelle elementari si citano già elettroni, bosoni, neutrini e fotoni. Tutti loro sono considerati gli stessi "atomi" greci antichi - indivisibili.
Nel 1899 (in alcune fonti - nel 1900), il fisico tedesco e fondatore part-time della teoria quantistica Max Planck propose una misura speciale di misura: le unità di Planck. Si tratta di unità progettate per semplificare alcune espressioni algebriche presenti nella fisica teorica, in particolare nella meccanica quantistica. Questi includono unità fondamentali come la massa di Planck, la temperatura di Planck, la lunghezza di Planck e il tempo di Planck. In questo articolo considereremo la lunghezza di Planck e il tempo di Planck e proveremo a farlo nel modo più comprensibile, senza complicati calcoli matematici (anche se avremo bisogno di alcune formule).
Come già sapete, la fisica non si occupa solo dello studio di enormi strutture cosmiche come galassie e nebulose, ma anche di fenomeni incredibilmente piccoli su scala atomica e subatomica. Tuttavia, c'è un'altra realtà su una scala molto più piccola di quella che la scienza è stata in grado di studiare. A questo livello, c'è un valore che è così al di là della tradizionale interpretazione di "piccolo" che è difficile immaginare. Questa è la lunghezza di Planck: è 10 (alla potenza di 20) volte inferiore al diametro del nucleo di un atomo di idrogeno. Si presume (o, più precisamente, si sospetta) che sia a questo livello che si forma la "schiuma" dello spazio-tempo. Per capire di che valore stiamo parlando, potete guardare l'animazione "Scale of the Universe" a questo link.
Eppure di quali dimensioni stiamo parlando? La lunghezza di Planck è di soli 1,616 x 10 (alla potenza di -35) metri. Può essere calcolato utilizzando un'equazione che include tre costanti fondamentali intere: la costante di Planck (6,6261 x 10 (alla potenza di -34)), la velocità della luce nel vuoto (2,29979 x 10 (alla potenza di 8) m / s) e la costante gravitazionale (6,6738 x 10 (alla potenza-11)):
Max Planck è arrivato per la prima volta a questa straordinaria unità dopo aver lavorato sulla radiazione del corpo nero e sulla meccanica quantistica. Probabilmente hai sentito che questa è la lunghezza più breve possibile.
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Qui, come nel caso dell'antico concetto greco di atomo, puoi dire: "Naturalmente, se ho una certa lunghezza e la divido a metà, e poi la ripeto più e più volte, otterrò valori sempre più piccoli". Tuttavia, stiamo parlando di una scala in cui la fisica non è più in grado di fare lo stesso della matematica. Uno degli esempi più eclatanti di tali impossibilità è il movimento con velocità superluminale. Cioè, sulla carta, puoi applicare forza alla massa e accelerarla alla velocità della luce e più in alto, ma sappiamo che in natura questo è semplicemente fisicamente impossibile, poiché la massa di un oggetto (e quindi l'energia necessaria per accelerarlo) aumenta all'infinito. Si scopre che non siamo in grado di implementare in realtà tutto ciò che possiamo fare sulla carta.
La teoria delle stringhe prevede l'esistenza delle stringhe che compongono tutte le particelle elementari, precisamente alla Planck length / Universe Review.
Allora come si inserisce una quantità così piccola nella fisica? Se due particelle sono separate da una lunghezza di Planck o anche da una distanza inferiore, è impossibile determinare la posizione di ciascuna di esse. Inoltre, qualsiasi effetto della gravità quantistica su questa scala (se presente) è sconosciuto alla scienza, poiché lì lo spazio stesso non è adeguatamente definito. In un certo senso, possiamo dire che anche se sviluppassimo metodi di misurazione in grado di "guardare" in queste scale, non potremmo mai misurare nulla di meno, indipendentemente dall'ulteriore miglioramento dei nostri metodi e delle nostre apparecchiature.
Secondo il modello cosmologico standard, l'universo è nato come risultato del Big Bang, iniziato in un punto infinitamente denso. È particolarmente interessante che fisici e cosmologi non abbiano la minima idea di quali leggi della fisica prevalevano nell'Universo prima che superasse la lunghezza di Planck in termini di dimensioni, poiché non esiste ancora una teoria confermata della gravità quantistica. Tuttavia, questa unità si è dimostrata utile in molte equazioni diverse che hanno aiutato a calcolare e investigare alcuni dei misteri più importanti dell'universo.
Ad esempio, la lunghezza di Planck è una componente chiave nell'equazione di Bekenstein-Hawking per il calcolo dell'entropia di un buco nero. I teorici delle stringhe ritengono che sia su questa scala che ci sono stringhe "vibranti" che costituiscono le particelle elementari del Modello Standard. Che la teoria delle stringhe sia vera o meno, una cosa è certa: nella ricerca di una teoria unificata del tutto, la comprensione della lunghezza di Planck e della fisica ad essa associata giocherà un ruolo chiave.
I primissimi momenti dell'esistenza dell'Universo in cosmologia sono chiamati l'era di Planck / Università dell'Illinois.
E il tempo di Planck? In poche parole, il tempo di Planck è il tempo impiegato dalla luce nel vuoto per percorrere la lunghezza di Planck. Di conseguenza, queste due quantità sono correlate. È curioso che per calcolare il tempo di Planck, siano necessarie la costante di Planck, la costante gravitazionale e la velocità della luce nel vuoto. Il valore esatto del tempo di Planck è 5,391 x 10 (alla potenza di -44) secondi ed è calcolato dalla formula:
Il tempo di Planck è anche chiamato quanto di tempo, il più piccolo valore di tempo che ha un valore effettivo. I tempi più piccoli non hanno senso. Ritornando alle ipotesi teoriche, i teorici delle stringhe presumono che le corde delle dimensioni di Planck vibrino a una frequenza corrispondente al tempo di Planck. Nel 2003, analizzando le immagini del Deep Field dal telescopio Hubble, alcuni scienziati hanno suggerito che se le fluttuazioni spazio-temporali fossero presenti sulla scala di Planck, le immagini di oggetti molto distanti sarebbero sfocate. Le immagini di Hubble, sostenevano, erano troppo accurate, il che, secondo gli esperti, metteva in discussione il concetto di scala di Planck. Altri membri della comunità scientifica non erano d'accordo con questo assunto, osservando,che tali fluttuazioni sarebbero troppo piccole per essere osservate. Inoltre, è stato suggerito che la sfocatura prevista fosse rimossa dalle grandi dimensioni degli oggetti nelle immagini.
Campo ultra-profondo di Hubble / NASA / ESA / R. THOMPSON.
Quindi, la lunghezza di Planck e il tempo di Planck associato determinano la scala alla quale le moderne teorie fisiche smettono di funzionare. Tutta la geometria spazio-temporale prevista dalla teoria della relatività generale cessa di avere alcun significato. Queste scale immagazzinano una teoria ancora da scoprire che unisce la relatività generale e la meccanica quantistica, che possono descrivere più completamente le leggi della fisica. In effetti, è per questo motivo che le moderne descrizioni dello sviluppo dell'Universo iniziano solo 5,391 x 10 (alla potenza di -44) secondi dopo il Big Bang, quando l'universo era di 1,616 x 10 (alla potenza di -35) metri.
Vladimir Guillen
