In den letzten 100 Jahren haben Physiker genaue und leistungsfähige Theorien über das Universum aufgestellt, vom kleinsten bis zum größten. Es gibt jedoch Skalen, auf denen all diese Theorien nicht funktionieren und die die größten Geheimnisse über die Naturgesetze bergen.
Wir sind es gewohnt, in einer Welt großer, makroskopischer Dinge zu leben. Alles, was der Durchschnittsmensch tagsüber begegnet - von einer Tasse Kaffee am Morgen bis zu einem riesigen Feuerball am Himmel, der Sonne genannt wird - können wir entweder sehen oder berühren. Doch selbst im antiken Griechenland schlugen Philosophen, insbesondere Demokrit und sein Lehrer Leukipp, vor, dass alles aus den kleinsten unteilbaren Teilchen besteht - Atomen (wörtlich übersetzt aus dem Griechischen bedeutet "unteilbar").
Im Laufe der Zeit wurde das Atom entdeckt und dann seine Eigenschaft, dass es überhaupt nicht unteilbar ist, sondern aus einem Kern und einem um ihn rotierenden Elektron besteht. Dann stellte sich heraus, dass der Kern auch aus Protonen und Neutronen besteht. Noch später wurden Quarks entdeckt, aus denen die Protonen und Neutronen der Atomkerne bestehen. Diese winzigen Teilchen werden als elementar bezeichnet. Neben Quarks werden unter den Elementarteilchen bereits Elektronen, Bosonen, Neutrinos und Photonen erwähnt. Alle von ihnen gelten als dieselben altgriechischen "Atome" - unteilbar.
1899 (in einigen Quellen - 1900) schlug der deutsche Physiker und Teilzeitbegründer der Quantentheorie Max Planck ein spezielles Maß für die Messung vor - Planck-Einheiten. Dies sind Einheiten, die bestimmte algebraische Ausdrücke in der theoretischen Physik, insbesondere in der Quantenmechanik, vereinfachen sollen. Dazu gehören grundlegende Einheiten wie Planck-Masse, Planck-Temperatur, Planck-Länge und Planck-Zeit. In diesem Artikel werden wir die Planck-Länge und die Planck-Zeit betrachten und versuchen, dies auf verständlichste Weise ohne komplizierte mathematische Berechnungen zu tun (obwohl wir einige Formeln benötigen).
Wie Sie bereits wissen, befasst sich die Physik nicht nur mit der Untersuchung riesiger kosmischer Strukturen wie Galaxien und Nebel, sondern auch mit unglaublich kleinen Phänomenen auf atomarer und subatomarer Ebene. Es gibt jedoch eine andere Realität in einem Ausmaß, das viel kleiner ist als das, was die Wissenschaft studieren konnte. Auf dieser Ebene gibt es einen Wert, der so weit über das traditionelle Verständnis von "klein" hinausgeht, dass es schwer vorstellbar ist. Dies ist die Planck-Länge - sie ist 10 (hoch 20) mal kleiner als der Durchmesser des Kerns eines Wasserstoffatoms. Es wird angenommen (oder genauer gesagt vermutet), dass auf dieser Ebene der "Schaum" der Raumzeit gebildet wird. Um zu verstehen, um welchen Wert es sich handelt, können Sie unter diesem Link in die Animation "Scale of the Universe" schauen.
Und doch, über welche Dimensionen sprechen wir? Die Planck-Länge beträgt nur 1,616 x 10 (bis zur -35-Leistung) Meter. Sie kann mit einer Gleichung berechnet werden, die drei ganze Grundkonstanten enthält - die Plancksche Konstante (6,6261 x 10 (hoch -34)), die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (2,29979 x 10 (hoch 8) m / s). und die Gravitationskonstante (6,6738 x 10 (zur Potenz-11)):
Max Planck kam zuerst zu dieser bemerkenswerten Einheit, nachdem er an Schwarzkörperstrahlung und Quantenmechanik gearbeitet hatte. Sie haben wahrscheinlich gehört, dass dies die kürzest mögliche Länge ist.
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Hier, wie im Fall des altgriechischen Atomkonzepts, kann man sagen: "Wenn ich eine bestimmte Länge habe und sie in zwei Hälften teile und sie dann immer wieder wiederhole, bekomme ich natürlich immer kleinere Werte." Wir sprechen jedoch von einer Skala, in der die Physik nicht mehr in der Lage ist, dasselbe wie die Mathematik zu tun. Eines der auffälligsten Beispiele für solche Unmöglichkeiten ist die Bewegung mit überluminaler Geschwindigkeit. Das heißt, auf dem Papier können Sie Kraft auf die Masse ausüben und sie auf Lichtgeschwindigkeit und höher beschleunigen, aber wir wissen, dass dies in der Natur einfach physikalisch unmöglich ist, da die Masse eines Objekts (und damit die Energie, die zur Beschleunigung erforderlich ist) unendlich zunimmt. Es stellt sich heraus, dass wir nicht alles, was wir auf dem Papier tun können, in die Realität umsetzen können.
Die Stringtheorie sagt die Existenz der Strings voraus, aus denen alle Elementarteilchen bestehen, genau bei der Planck-Länge / Universe Review.
Wie passt also eine so kleine Menge in die Physik? Wenn zwei Partikel durch eine Planck-Länge oder noch weniger Abstand voneinander getrennt sind, ist es unmöglich, die Positionen von jedem von ihnen zu bestimmen. Darüber hinaus sind alle Auswirkungen der Quantengravitation auf dieser Skala (falls vorhanden) der Wissenschaft unbekannt, da dort der Raum selbst nicht richtig definiert ist. In gewissem Sinne können wir sagen, dass wir, selbst wenn wir Messmethoden entwickeln würden, die in der Lage sind, in diese Skalen zu "schauen", niemals weniger messen könnten, unabhängig von der weiteren Verbesserung unserer Methoden und Geräte.
Nach dem kosmologischen Standardmodell wurde das Universum als Ergebnis des Urknalls geboren, der an einem unendlich dichten Punkt begann. Es ist besonders interessant, dass Physiker und Kosmologen nicht die geringste Ahnung haben, welche Gesetze der Physik im Universum vorherrschten, bevor es die Planck-Länge überschritt, da es noch keine bestätigte Theorie der Quantengravitation gibt. Trotzdem hat sich diese Einheit in vielen verschiedenen Gleichungen als nützlich erwiesen, die dazu beigetragen haben, einige der wichtigsten Geheimnisse des Universums zu berechnen und zu untersuchen.
Beispielsweise ist die Planck-Länge eine Schlüsselkomponente in der Bekenstein-Hawking-Gleichung zur Berechnung der Entropie eines Schwarzen Lochs. Stringtheoretiker glauben, dass es auf dieser Skala „vibrierende“Strings gibt, aus denen die Elementarteilchen des Standardmodells bestehen. Ob die Stringtheorie wahr ist oder nicht, eines ist sicher: Bei der Suche nach einer einheitlichen Theorie von allem wird das Verständnis der Planck-Länge und der damit verbundenen Physik eine Schlüsselrolle spielen.
Die allerersten Momente der Existenz des Universums in der Kosmologie werden als Planck-Ära / University of Illinois bezeichnet.
Was ist mit der Planck-Zeit? Kurz gesagt, die Planck-Zeit ist die Zeit, die Licht im Vakuum benötigt, um die Planck-Länge zurückzulegen. Folglich hängen diese beiden Größen zusammen. Es ist merkwürdig, dass zur Berechnung der Planck-Zeit die Planck-Konstante, die Gravitationskonstante und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum benötigt werden. Der genaue Wert der Planck-Zeit beträgt 5,391 x 10 (hoch -44) Sekunden und wird nach folgender Formel berechnet:
Die Planck-Zeit wird auch als Zeitquantum bezeichnet - der kleinste Zeitwert, der einen tatsächlichen Wert hat. Kleinere Zeiten sind bedeutungslos. Zurück zu den theoretischen Hypothesen gehen Stringtheoretiker davon aus, dass Saiten in Planck-Größe mit einer Frequenz schwingen, die der Planck-Zeit entspricht. Bei der Analyse von Bildern des Tiefenfelds vom Hubble-Teleskop im Jahr 2003 schlugen einige Wissenschaftler vor, dass Bilder von sehr weit entfernten Objekten verschwommen wären, wenn Raum-Zeit-Schwankungen auf der Planck-Skala vorhanden wären. Sie argumentierten, die Hubble-Bilder seien zu genau, was Experten zufolge das Konzept der Planck-Skala in Frage stellte. Andere Mitglieder der wissenschaftlichen Gemeinschaft waren mit dieser Annahme nicht einverstanden und stellten fest,dass solche Schwankungen zu gering wären, um beobachtet zu werden. Darüber hinaus wurde vorgeschlagen, die erwartete Unschärfe durch die große Größe der Objekte in den Bildern zu beseitigen.
Hubble Ultra-Deep Field / NASA / ESA / R. THOMPSON.
Die Planck-Länge und die damit verbundene Planck-Zeit bestimmen also den Maßstab, in dem moderne physikalische Theorien nicht mehr funktionieren. Alle von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Raum-Zeit-Geometrien haben keine Bedeutung mehr. Diese Skalen speichern eine noch unentdeckte Theorie, die die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereint und die Gesetze der Physik am vollständigsten beschreiben kann. Aus diesem Grund beginnen moderne Beschreibungen der Entwicklung des Universums erst 5,391 x 10 (hoch -44) Sekunden nach dem Urknall, als das Universum 1,616 x 10 (hoch -35) Meter betrug.
Vladimir Guillen
