Ο χρόνος Planck είναι ένα απίστευτα μικρό χρονικό διάστημα που προκύπτει φυσικά από μερικές βασικές ποσότητες στη θεωρητική φυσική. Όταν ανακαλύφθηκε από τον Μαξ Πλανκ στα τέλη του 19ου αιώνα, φαινόταν ότι δεν ήταν παρά μια επιστημονική περιέργεια. Αλλά σήμερα παίζει δελεαστικό ρόλο στην κατανόησή μας για το Μεγάλη έκρηξη και η αναζήτηση μιας θεωρίας για κβαντική βαρύτητα.
Εδώ είναι μια περίληψη όλων όσων γνωρίζουμε για την εποχή Planck: από πού προήλθε, τι είναι και τι μπορεί να αποκαλύψει για τον τρόπο λειτουργίας του σύμπαντος.
Σχετίζεται με: Πώς λειτουργεί ο χρόνος;
Ορισμός χρόνου Planck
Ο χρόνος Planck περιγράφηκε για πρώτη φορά σε μια επιστημονική εργασία που γράφτηκε από τον Planck το 1899, σε μια ενότητα που ονομάζεται «Φυσικές Μονάδες Μέτρησης» (η εργασία, στα γερμανικά, βρίσκεται στο Βιβλιοθήκη Κληρονομιάς Βιοποικιλότητας). Στην καθημερινή χρήση, οι μονάδες μέτρησης δεν είναι μεγάλη υπόθεση. Χρησιμοποιούμε ό,τι είναι βολικό – ουγγιές ή τόνους για μάζα, μίλια ή ίντσες για απόσταση, λεπτά ή ημέρες για το χρόνο. Οι επιστήμονες τείνουν να χρησιμοποιούν SI ενωμένη χιλιογράμμων, μέτρων και δευτερολέπτων, γιατί απλοποιούν πολύπλοκους υπολογισμούς – αλλά μόνο μέχρι ένα σημείο. Τα μαθηματικά μπορούν ακόμα να γίνουν πολύ περίπλοκα.
Στην εξίσωση του Νεύτωνα για τη δύναμη της βαρύτητας, για παράδειγμα, η βαρυτική σταθερά G έχει μονάδες συστροφής του εγκεφάλου “κυβικά μέτρα ανά κιλό ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο”, σύμφωνα με Πανεπιστήμιο Swinburne. Σε αυτές τις μονάδες, ο G – που είναι ένας από τους πιο θεμελιώδεις αριθμούς στο σύμπαν – έχει την τιμή αυθαίρετης εμφάνισης 0,0000000000667. Ο Planck ήθελε να βρει ένα πιο «φυσικό» σύνολο μονάδων στο οποίο το G, και παρόμοιες θεμελιώδεις σταθερές, είναι ακριβώς ίσες με 1.
Σχετίζεται με: Τι είναι έτος φωτός;
Ποιος ήταν ο Μαξ Πλανκ;
Ο Max Planck μπορεί να μην είναι γνωστό, αλλά έδωσε στον κόσμο μια οικεία φράση: κβαντική θεωρία. Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος, που το ονόμασε Διαστημόπλοιο Planck Μετά από αυτόν, η ανακάλυψη ήρθε το 1900 όταν ανακάλυψε ότι η ενέργεια μπορεί να μεταδοθεί μόνο σε μικρά πακέτα καθορισμένου μεγέθους, τα οποία ονόμασε «κβάντα». Αυτό ήταν δεκαετίες πριν οι Werner Heisenberg και Erwin Schrödinger ανακαλύψουν όλα τα κβαντική παραξενιά είμαστε εξοικειωμένοι με το σήμερα, αλλά τίποτα από αυτά δεν θα ήταν δυνατό αν ο Planck δεν είχε ανοίξει πρώτος το δρόμο. Ως εκ τούτου, σωστά περιγράφεται ως ο πατέρας της κβαντικής φυσικής.
Η δεύτερη παράμετρος που επέλεξε ο Planck ήταν η ταχύτητα του φωτός c, σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτό ήταν γνωστό ότι ήταν μια σημαντική σταθερά ακόμη και το 1899, παρά το γεγονός ότι του Αϊνστάιν Θεωρία της σχετικότητας, με το οποίο είναι στενά συνδεδεμένο, εξακολουθούν να υπάρχουν αρκετά χρόνια στο μέλλον. Η τρίτη παράμετρος ήταν μια ολοκαίνουργια σταθερά που μόλις είχε ανακαλύψει ο ίδιος ο Planck, τώρα γνωστή απλώς ως σταθερά του Planck. Συνήθως αντιπροσωπεύεται από το γράμμα h, είναι ο λόγος της ενέργειας ενός φωτονίου προς τη συχνότητά του, με μονάδες κιλών πολλαπλασιαζόμενες τετραγωνικά μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Λαμβάνοντας αυτές τις τρεις σταθερές ως σημείο εκκίνησης, ο Planck μπόρεσε να βρει ένα νέο σύνολο μονάδων μέτρησης στις οποίες όλες είναι ακριβώς ίσες με μία. Αυτές οι βασικές μονάδες αναφέρονται ως μάζα Planck, μήκος Planck και χρόνος Planck. Το ιδιαίτερο ενδιαφέρον μας εδώ είναι για το τελευταίο από αυτά, αλλά υπάρχει στενή σχέση μεταξύ των δύο τελευταίων: το μήκος Planck είναι ίσο με τον χρόνο Planck πολλαπλασιασμένο με το ταχύτητα του φωτός.
Η εξίσωση του χρόνου Planck
Ο χρόνος Planck σε δευτερόλεπτα
Οι ΗΠΑ Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας δίνει την τιμή του χρόνου Planck ως 5,391247 × 10^-44 δευτερόλεπτα. Σε άλλες πηγές, συμπεριλαμβανομένου του αρχικού χαρτιού του Planck, μπορεί να βρείτε μια ελαφρώς μεγαλύτερη τιμή περίπου 1,35 × 10^-43 δευτερόλεπτα. Όπως εξηγείται στο Eric Weisstein’s Κόσμος της Φυσικής τοποθεσία, αυτό οφείλεται στη χρήση δύο διαφορετικών εκδόσεων της σταθεράς του Planck. Η μεγαλύτερη τιμή χρησιμοποιεί την αρχική ποσότητα του Planck, h, ενώ η μικρότερη, πιο κοινή τιμή χρησιμοποιεί μια παράμετρο που ονομάζεται h-bar, η οποία διαιρείται με το h με 2 pi.
Όποια τιμή και αν χρησιμοποιηθεί, το αποτέλεσμα είναι ένα χρονικό διάστημα που είναι αφάνταστα μικροσκοπικό στο πλαίσιο της καθημερινής εμπειρίας. Ένα νανοδευτερόλεπτο, που χρησιμοποιείται συχνά στην καθομιλουμένη ως «πολύ σύντομο χρονικό διάστημα», είναι 0,000000001 δευτερόλεπτα, με 8 μηδενικά μεταξύ της υποδιαστολής και του πρώτου σημαντικού αριθμού. Ο χρόνος Planck δεν έχει λιγότερα από 43 μηδενικά. Είναι ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διανύσει ένα μήκος Planck, το οποίο είναι περίπου το εκατοστό του εκατομμυριοστού του τρισεκατομμυρίου της διαμέτρου ενός πρωτονίου, σύμφωνα με Περιοδικό Symmetry.
Είναι πραγματικός ο χρόνος Planck;
Επειδή ο χρόνος Planck είναι τόσο πρακτικά μικρός, αγνοήθηκε σε μεγάλο βαθμό από τους επιστήμονες πριν από τη δεκαετία του 1950, σύμφωνα με KA Tomilin του Ινστιτούτου της Μόσχας για την Ιστορία της Επιστήμης και της Τεχνολογίας. Στην καλύτερη περίπτωση θεωρήθηκε μια ενδιαφέρουσα περιέργεια χωρίς πραγματική φυσική σημασία. Τότε, όταν οι φυσικοί άρχισαν να ψάχνουν για ένα «θεωρία των πάντωνπου θα περιλάμβανε τόσο τη βαρύτητα όσο και την κβαντομηχανική, συνειδητοποίησαν ότι ο χρόνος Planck μπορεί να έχει τεράστια σημασία τελικά.
Το κλειδί βρίσκεται στο γεγονός ότι ο χρόνος Planck, μαζί με τις άλλες μονάδες Planck, ενσωματώνει τόσο τη βαρυτική σταθερά G όσο και τη σταθερά h του Planck, η οποία είναι κεντρική στην κβαντική θεωρία. Κατά λάθος, το 1899, ο Planck είχε καταλήξει σε μια φόρμουλα που περιείχε και τα δύο μισά της σύγχρονης φυσικής, πολύ πριν κάποιος αρχίσει να αναζητά μια τέτοια σύνδεση.
Καθολικές μονάδες
Το αρχικό κίνητρο του Planck για την επινόηση του συστήματος μέτρησής του ήταν να ορίσει ένα σύνολο μονάδων που δεν ήταν γη-κεντρικές, με τον τρόπο που είναι συνήθως οι μονάδες μας. Αυτό ισχύει ακόμη και για τη λεγόμενη «αστρονομική μονάδα», η οποία είναι η μέση απόσταση από τη Γη στον Ήλιο, σύμφωνα με Πανεπιστήμιο του Surrey, ή το έτος φωτός, που είναι η απόσταση που διανύει το φως στον χρόνο που χρειάζεται η Γη για να περιστραφεί μία φορά γύρω από τον Ήλιο. Αντίθετα, οι μονάδες του Planck – όσο μη πρακτικές και αν είναι για καθημερινή χρήση – δεν έχουν τέτοιες ανθρωποκεντρικές συνδέσεις. Όπως το έθεσε ο ίδιος ο Planck, σύμφωνα με Δον Λίνκολν του Fermilab, οι μονάδες του «διατηρούν αναγκαστικά το νόημά τους για όλες τις εποχές και για όλους τους πολιτισμούς, ακόμη και για εξωγήινους και μη ανθρώπινους».
Για κάθε δεδομένη μάζα, η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν – γενική σχετικότητα – δίνει μια χαρακτηριστική κλίμακα μήκους που ονομάζεται το Ακτίνα Schwarzschild. Αλλά η κβαντική θεωρία έχει τη δική της κλίμακα μήκους για αυτή τη μάζα, η οποία ονομάζεται μήκος κύματος Compton, σύμφωνα με Georgia State University. Υπάρχει λοιπόν κάποια μάζα για την οποία η ακτίνα Schwarzschild είναι ακριβώς ίση με το μήκος κύματος Compton; Αποδεικνύεται ότι υπάρχει – και είναι η μάζα Planck, για την οποία αυτές οι δύο παράμετροι, μία από την κβαντική θεωρία και μία από τη γενική σχετικότητα, και οι δύο ισούνται με το μήκος Planck.
Είναι αυτό απλώς μια σύμπτωση ή σημαίνει ότι τα βαρυτικά και κβαντικά φαινόμενα αρχίζουν πραγματικά να επικαλύπτονται στην κλίμακα Planck;
Μερικοί επιστήμονες, όπως π.χ Ντιέγκο Μεσκίνι του Πανεπιστημίου Jyvaskyla στη Φινλανδία, παραμένουν δύσπιστοι, αλλά η γενική συναίνεση είναι ότι οι μονάδες Planck διαδραματίζουν πραγματικά βασικό ρόλο στη σύνδεση αυτών των δύο τομέων της φυσικής. Μια πιθανότητα είναι αυτή ο ίδιος ο χωροχρόνος είναι κβαντισμένος σε επίπεδο μήκους Planck και χρόνου Planck. Εάν αυτό είναι αλήθεια, τότε ο ιστός του χωροχρόνου, όταν εξεταζόταν σε αυτή την κλίμακα, θα φαινόταν «χοντρός» παρά ομαλά συνεχής.
Τι συνέβη την εποχή του Πλανκ;
Στο σύμπαν που βλέπουμε σήμερα, υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις: βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός και ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις. Αλλά καθώς κοιτάμε πίσω στο χρόνο μέσα από τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν γίνεται τόσο ζεστό και πυκνό που αυτές οι δυνάμεις συγχωνεύονται σταδιακά μεταξύ τους. Όλα έγιναν πολύ γρήγορα. από δέκα μικροδευτερόλεπτα και μετά, οι τέσσερις δυνάμεις έμοιαζαν ακριβώς όπως σήμερα. Πριν από αυτό, ωστόσο, δεν υπήρχε διάκριση μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών και των ασθενών δυνάμεων – και πριν από τα 10^-36 δευτερόλεπτα, αυτές ενώνονταν επίσης με την ισχυρή δύναμη.
Σε αυτό το σημείο, η βαρύτητα ήταν ακόμα μια ξεχωριστή δύναμη – και με βάση τις τρέχουσες θεωρίες, δεν μπορούμε να κοιτάξουμε πιο πίσω στο χρόνο από αυτό. Αλλά πιστεύεται ευρέως ότι, δεδομένης μιας καλύτερης κατανόησης της κβαντικής βαρύτητας, θα ανακαλύψαμε ότι πριν από τον χρόνο Planck η βαρύτητα συγχωνεύτηκε επίσης με τις άλλες δυνάμεις. Μόνο την εποχή Planck, περίπου 5 × 10^-44 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η βαρύτητα έγινε η ξεχωριστή δύναμη που βλέπουμε σήμερα.