Загадка планковских масштабов: где ломается привычная физика?

Нам свойственно думать, что физика способна объяснить все на свете: от движения далеких галактик до поведения крошечных атомов. У нас есть две невероятно успешные теории: Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО), описывающая гравитацию и устройство Вселенной в больших масштабах, и Квантовая механика (КМ), правящая миром элементарных частиц.

Но что произойдет, если попытаться заглянуть в самые-самые крошечные микромиры, в миллиарды раз меньше атомного ядра?

Оказывается, здесь наша привычная физика дает сбой. Добро пожаловать в мир планковских масштабов – последнюю границу нашего понимания реальности.

Содержание

Что такое планковские масштабы?

В конце XIX века Макс Планк, один из отцов квантовой теории, заметил нечто удивительное. Если взять три фундаментальные константы нашего мира – скорость света (c), гравитационную постоянную (G) и квантовую постоянную Планка (ħ), – то из них можно составить уникальные единицы длины, времени и энергии. Эти величины получили название планковских:

Планковская длина: примерно 10⁻³⁵ метра. Это настолько мало, что если бы атом увеличился до размеров видимой Вселенной, планковская длина была бы размером с дерево. Считается, что на меньших расстояниях само понятие “расстояние” теряет всякий смысл.
Планковское время: около 10⁻⁴³ секунды – время, за которое свет проходит планковскую длину. Это самый короткий мыслимый промежуток времени.
Планковская энергия: около 10¹⁹ миллиардов электронвольт (ГэВ). Это колоссальная энергия для одной частицы, намного превышающая ту, что достигается на самых мощных ускорителях типа Большого адронного коллайдера.

Такие масштабы – не просто очень маленькие или очень большие числа. Физики считают их фундаментальным пределом, где известные нам законы природы перестают работать.

Почему физика “ломается”? Конфликт гигантов

Проблема в том, что на планковских масштабах сталкиваются лбами два титана современной физики – ОТО и Квантовая механика.

ОТО прекрасно описывает гравитацию как искривление пространства и времени под действием массы и энергии. Она отлично работает для планет, звезд, галактик и даже черных дыр (почти отлично).
Квантовая механика описывает поведение частиц в микромире, их взаимодействия (кроме гравитации, которая здесь обычно слишком слаба, чтобы ее учитывать) и квантовые эффекты вроде неопределенности.

На обычных масштабах они мирно сосуществуют, работая в разных “весовых категориях”. Но на планковских масштабах все меняется:

Гравитация становится сильной: на таких крошечных расстояниях и при таких огромных энергиях гравитационное взаимодействие становится сравнимым по силе с другими фундаментальными силами (электромагнитной, сильной и слабой). Игнорировать ее больше нельзя.
Квантовые эффекты становятся решающими: весь мир на этих масштабах подчиняется квантовым законам, включая само пространство и время.

Когда мы пытаемся применить обе теории одновременно, например, чтобы описать центр черной дыры или самый первый момент Большого Взрыва, возникают неразрешимые противоречия. ОТО предсказывает “сингулярности” – точки с бесконечной плотностью и кривизной, что лишено физического смысла. Попытки же “скрестить” ОТО с квантовой теорией приводят к математическому кошмару – расчеты выдают бесконечные и бессмысленные результаты. Это явный знак того, что нам нужна новая, более глубокая теория.

Мир за гранью: квантовая гравитация

Физики уверены: на планковских масштабах должна править бал квантовая гравитация – пока еще не созданная теория, которая объединит ОТО и КМ. Что же может происходить в этом загадочном мире?

Предполагается, что само пространство-время перестает быть гладким и непрерывным, как лист бумаги. Вместо этого оно может иметь дискретную, “зернистую” структуру, состоящую из мельчайших неделимых “квантов” пространства и времени. Возможно, оно похоже на бурлящую “квантовую пену”, где постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы и микроскопические черные дыры. Понимание этих процессов критически важно, чтобы объяснить, что происходило во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва (в так называемую Планковскую эпоху).

В поисках “Теории всего”: струны и петли

Сегодня есть несколько перспективных кандидатов на роль теории квантовой гравитации:

Теория струн: предполагает, что фундаментальные “кирпичики” Вселенной – это не точечные частицы, а микроскопические одномерные вибрирующие “струны”. Разные частицы соответствуют разным модам вибрации этих струн. Эта теория элегантно включает гравитацию и предсказывает существование дополнительных измерений пространства.
Петлевая квантовая гравитация (ПКГ): подходит к проблеме с другой стороны. Она предполагает, что само пространство-время квантовано, то есть состоит из дискретных “петель” или “узлов” определенного минимального размера (порядка планковской длины). В этой теории сингулярности внутри черных дыр и при Большом Взрыве могут исчезнуть.

Существуют и другие подходы (М-теория, некоммутативная геометрия и т.д.). Важно понимать: все это пока гипотетические теории. Ни одна из них не имеет прямого экспериментального подтверждения.

Почему так сложно проверить?

Проблема в самих планковских масштабах. Чтобы напрямую “увидеть” планковскую длину или достичь планковской энергии, нам понадобился бы ускоритель частиц размером с галактику! Большой адронный коллайдер, самый мощный из существующих, работает с энергиями в триллионы раз меньшими, чем планковская. Даже самые энергичные частицы, прилетающие из космоса, не дотягивают до нужных значений.

Поэтому ученые ищут косвенные пути проверки теорий квантовой гравитации:

Поиски крошечных отклонений в реликтовом излучении – эхе Большого Взрыва.
Наблюдения за астрофизическими объектами вроде черных дыр или нейтронных звезд.
Очень точные лабораторные эксперименты, пытающиеся уловить влияние “квантовой пены” пространства-времени на поведение частиц.

Заключение

Планковские масштабы – это передовой рубеж современной физики. Здесь наши самые успешные теории, ОТО и Квантовая механика, достигают своего предела и вступают в конфликт. Чтобы понять, что происходит на этих фундаментальных уровнях реальности, как устроены черные дыры изнутри и как родилась наша Вселенная, нам нужна новая теория – теория квантовой гравитации. Ее поиски – одно из самых сложных и увлекательных приключений в истории науки, путешествие к самым основам бытия. И хотя прямые эксперименты пока невозможны, каждый новый теоретический шаг и каждый косвенный намек приближают нас к разгадке основ мироздания.

Источники:

Why does physics break down at the Planck scale? Big Think article

Planck units detailed explanation on Wikipedia

Can experiment access Planck-scale physics? CERN Courier article

Мы на Дзен