Масса планка


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?

Масса планка

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.


Источник: Hi-News.ru

Планковские единицы – это универсальная система единиц измерений, которая строится на постоянных, константах, которые повсеместно проявляются в физике и природе.

История создания

В 1897-1899 годах немецкий физик-теоретик Макс Планк выступал с докладами о необратимых процессах излучения, используя при этом, «универсальные», как он сам говорил, постоянные: a, b, c и f (c − скорость света, f — гравитационная постоянная G). Зная последние две константы, он определил a и b, которые ввел самостоятельно. Несколько позже Планк использовал еще две константы: h (постоянная Планка) и k − постоянная Больцмана. Макс Планк определил ряд этих констант как естественную систему единиц измерений и отметил следующее:


«Эти единицы сохраняют свое естественное значение до того времени, пока выполняются законы тяготения, основы термодинамики и пока остается константой скорость распространения света в вакууме. По этой причине, будучи измеренными различными интеллектами при помощи разнообразных методов, эти величины будут равны всегда одним и тем же значениям».

Физический смысл планковских единиц

Для метрологии планковские единицы не играют значимой роли, однако оказалось, что они исключительно важны для теоретической физики и используются как границы применимости современных физических теорий, таких известных как квантовая теория поля (КТП), релятивистская теория гравитации (РТГ) и общая теория относительности Эйнштейна (ОТО). Проще говоря, нам неизвестна физика за пределами, установленными планковскими единицами.

Основными постоянными этой системы единиц измерения являются следующие величины:

  • h/ 2π – постоянная Планка, которая делится на 2π (иначе – постоянная Дирака). Эта универсальная константа связывает величины классической и квантовой механики, и позволяет переводить единицы одной системы измерения в единицы другой. Например, перевести энергию, используемую в классической механике, в ее аналог в квантовой механике – частоту. Примерно равна 1 * 10-34 Дж·c.
  • c – скорость света – независимая постоянная, выражающая скорость распространения электромагнитных волн (света) в вакууме, с = 300 000 км/с.
  • G – гравитационная постоянная, являющаяся коэффициентом пропорциональности в Ньютоновском законе всемирного тяготения, определяющем силу гравитационного взаимодействия двух массивных объектов на определенном расстоянии . G = 6,67408(31)·10−11 Н·м²/кг2.

Зная все перечисленные выше основные единицы измерения, а также постоянную Больцмана, Планк вывел остальные системные единицы, такие как:

  • Масса, равная 2,176·10−8 кг. Данное значение является максимальным для всех элементарных частиц и минимальным для черных дыр.
  • Длина, равная 1,616 229(38)·10−35 м. Черная дыра с планковской массой и определенным гравитационным радиусом имеет радиус равный планковской длине. Также известная нам эвклидова геометрия полностью искажается в масштабах планковской длины, в связи с колебанием гравитационного поля.
  • Время, равно 5,391 16(13)·10−44 с. По определению планковское время, такое время, которое потребуется частице, чтобы пролететь планковскую длину со скоростью света. Ученые утверждают, что спустя это время после начала Большого взрыва гравитационное взаимодействие стало самостоятельным, то есть отделилось от трех других.
  • Температура — 1,416 808(33)·1032 Согласно вычислениям физиков-теоретиков, в самом начале Большого взрыва была именно такая температура. Также ученые не могут описать физику в системе горячее этой температуры, то есть она является верхним пределом физических теорий, а именно теории гравитации.

Также существуют планковский заряд, угловая частота, энергия, плотность, радиус и прочие. Данные единицы выражаются через фундаментальные константы, а потому сами остаются неизменными в пределах известной нам физики.

Интересно, что первейшая эпоха из истории Вселенной была названа планковской, в честь выдающегося физика – Макса Планка, и длилась планковское время — от нуля до 10−43 секунд. Помимо этого при зарождении Вселенной ее вещество имело планковские значения, а именно энергию, плотность, радиус и температуру – известные нам константы.

Измерение планковских единиц проблематично даже в теории, однако в своих математических конструкциях физики-теоретики постоянно опираются на эти фундаментальные постоянные, что помогает им лучше понять устройство нашего мира.

Полная версия: http://spacegid.com/plankovskie-edinitsyi.html

Источник: zen.yandex.ru

Если делить вещество во Вселенной на все меньшие и меньшие составляющие, вы в конечном итоге достигнете ограничения, столкнувшись с фундаментальной и неделимой частицей.
е 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?

Масса планка

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.

Источник: Hi-News.ru

Планковская эпоха

С именем Планка связаны многие величины и законы. В частности, физическая космология называет его именем эпоху самого раннего периода истории наблюдаемой нами Вселенной. Этот непродолжительный период, по теоретическим предположениям, продолжался в течение планковского времени, имеющего значение от 0 до 10-43секунд. В эту эпоху – около 13,8 млрд. лет назад – всё вещество Вселенной обладало энергией порядка 1019 ГэВ и было сосредоточено в одной точке. Радиус этой точки имел значение ~10−35 м, плотность ~1097 кг/м3, а температура ~1032 К. Поскольку размеры Вселенной были исключительно малы, случилось преобладание квантовых эффектов гравитации над физическими взаимодействиями. Невероятные значения температуры и плотности делали вещество неустойчивым. Произошло нарушение симметрии, что привело к проявлению фундаментальных сил – гравитационное воздействие отделилось от других фундаментальных взаимодействий.

Постоянная Планка

Постоянная (квант действия) считается основной константой квантовой теории. Она является коэффициентом, связывающим количество энергии кванта электромагнитного излучения и его частоту. Это же справедливо для любых линейных колебательных физических систем и их частот. Параметр этой постоянной переопределён в 2011 году, и теперь она имеет значение 6,62606Х . 10-34 Дж.с. Символ «Х» поставлен вместо одной или нескольких значимых цифр, которые определятся в дальнейшем с большей точностью. Предназначением постоянной Планка является связывание двух систем единиц – квантовой и традиционной.

Планковские чёрные дыры

Этот тип чёрной дыры пока гипотетичен, но если они существуют, минимальная масса их должна быть равна планковской массе. Этот объект соответствует предполагаемому максимону, частице с такой же массой. Вероятно, что эта гипотетическая чёрная дыра – конечный продукт жизни обычной чёрной дыры. Она должна быть стабильна и не иметь излучения Хокинга. Плотность такого объекта будет выражаться значением порядка 1094 кг/м3 . Такие масштабы физики станет описывать квантовая гравитация, если учёные смогут разработать надлежащие теории.

На границе XX и XXI веков началась революция перехода метрологии в квантовую стадию. Она не в полном объёме основана на планковской системе, но всё-таки стоит на её фундаменте. Именно планковские единицы являются определяющими для применения современных физических теорий. Вдумываясь в значения планковских величин, невольно пытаешься представить эти невероятные массы и расстояния, плотности и время. Это очень сложно, практически нереально, но желание проникнуть в тайны природы всегда озаряло человеческую мысль…

Источник: light-science.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.