우주에서 가능한 가장 작은 거리는 얼마입니까?

우리 우주가 어떻게 작동하는지 이해하려면 근본적인 수준에서 공부해야합니다. 거시적 물체는 자체적으로 아 원자 규모로만 감지 할 수있는 입자로 구성됩니다.

우주의 속성을 탐색하려면 가능한 가장 작은 규모로 가장 작은 구성 요소를 살펴 봐야합니다. 이 근본적인 수준에서 그들이 어떻게 행동하는지 이해해야 만 우리가 친숙한 인간 규모의 우주를 만들기 위해 그들이 어떻게 모이는 지 이해할 수 있습니다.

그러나 우리가 아는 작은 우주에 대해서도 우리가 아는 것을 임의로 작은 거리로 추정 할 수는 없습니다. 플랑크 거리 척도 인 약 10 ~ 35 미터 아래로 가기로 결정하면 일반적인 물리 법칙은 말도 안되는 답을 줄 것입니다. 다음은 특정 길이 척도 이하에서 물리적으로 중요한 것을 말할 수없는 이유에 대한 이야기입니다.

양자 물리학의 고전적인 문제 중 하나 인 상자 속의 입자를 상상해보십시오. 당신이 좋아하는 입자를 상상하고 그것이 어떤 작은 공간으로 제한되어 있다고 상상해보십시오. 이제 숨바꼭질의 양자 게임에서 우리는 상상할 수있는 가장 간단한 질문을 할 것입니다. 그 입자는 어디에 있습니까?

입자의 위치를 ​​결정하기 위해 측정을 할 수 있으며 그 측정이 답을 줄 것입니다. 그러나이 측정과 관련된 내재 된 불확실성이있을 것이며, 여기서 불확실성은 자연의 양자 효과로 인해 발생합니다.

이 불확실성은 얼마나 큽니까? 이것은 ħ와 L 모두와 관련이 있습니다. 여기서 ħ는 플랑크 상수이고 L은 직사각형의 크기입니다.

우리가 수행하는 대부분의 실험에서 플랑크 상수는 우리가 조사 할 수있는 실제 거리 척도에 비해 작기 때문에 L과 L 모두와 관련된 불확실성을 조사 할 때 내재적 불확실성.

하지만 L이 작 으면 어떨까요? L이 너무 작아서 ħ에 비해 크기가 비슷하거나 더 작다면 어떨까요?

여기서 문제가 어떻게 발생하는지 확인할 수 있습니다. 자연에서 발생하는 이러한 양자 보정은 기본적이고 고전적인 효과가 있기 때문에 발생하는 것이 아니라 ~ ħ 순서의 양자 보정이 나타납니다. 모든 주문에 대한 수정 사항이 있습니다 : ~ ħ, ~ ħ2, ~ ħ3 등. 플랑크 길이라고하는 특정 길이 척도가 있는데, 여기서 고차 항 (일반적으로 무시 함)이 일반적으로 적용하는 양자 보정보다 중요하거나 훨씬 더 중요해집니다.

그렇다면 임계 길이 척도는 무엇입니까? 플랑크 척도는 100 년 전에 물리학 자 막스 플랑크가 처음 제안했습니다. 플랑크는 자연의 세 가지 상수를 취했습니다.

G, 뉴턴과 아인슈타인 중력 이론의 중력 상수,
ħ, Planck의 자연의 상수 또는 기본 양자 상수
c, 진공 상태에서 빛의 속도,

하나의 질량 값, 다른 시간 값 및 다른 거리 값을 얻기 위해 다른 방법으로 결합 될 수 있음을 깨달았습니다. 이 세 가지 양은 플랑크 질량 (약 22 마이크로 그램), 플랑크 시간 (약 10 ~ 43 초), 플랑크 길이 (약 10 ~ 35 미터)로 알려져 있습니다. 길이가 플랑크보다 작거나 같은 상자에 입자를 배치하면 해당 위치의 불확실성이 상자의 크기보다 커집니다.

그러나이 이야기에는 훨씬 더 많은 것이 있습니다. 특정 질량의 입자가 있다고 상상해보십시오. 그 질량을 충분히 작게 짜 내면 다른 질량을 짜내는 것처럼 블랙홀이 생깁니다. √ (ħc / G) 형식의이 세 가지 상수의 조합 인 플랑크 질량을 가져 와서이 질문을하면 어떤 답을 얻겠습니까?

이 질량을 차지하는 데 필요한 공간의 양은 Schwarzschild 반지름이 Planck 길이의 두 배인 구입니다. 블랙홀의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 걸리는 시간을 묻는다면 그 시간은 플랑크 시간의 4 배가 될 것입니다. 이러한 의미가 관련되어 있다는 것은 우연이 아닙니다. 당연합니다. 그러나 놀라운 것은이 작은 거리와 시간 척도에서 우주에 대한 질문을 시작할 때 이것이 의미하는 바입니다.

플랑크 척도로 무엇이든 측정하려면 조사하기에 충분한 에너지를 가진 입자가 필요합니다. 입자 에너지는 파장 (빛의 광자 파장 또는 물질의 경우 de Broglie 파장)에 해당하며, Planck 파장으로 이동하려면 Planck 에너지가 ~ 1019 GeV 또는 LHC의 최대 에너지의 약 천조 배인 입자가 필요합니다.

실제로이 에너지에 도달 한 입자가 있다면 그 운동량은 너무 커서 에너지 운동량의 불확실성으로 인해 블랙홀과 구별 할 수 없게됩니다. 이것은 실제로 우리의 물리 법칙이 위반되는 규모입니다.

상황을 좀 더 자세히 살펴보면 상황이 악화 될뿐입니다. 공간 (또는 시공간) 자체에 내재 된 양자 변동에 대해 생각하기 시작하면 에너지-시간 불확실성 관계도 있음을 기억할 것입니다. 거리 척도가 작을수록 해당 시간 척도가 작아 져 에너지 불확실성이 커집니다.

플랑크 규모에서 이것은 우리가 조사 할 수없는 양자 규모의 블랙홀과 웜홀의 출현을 의미합니다. 더 높은 에너지 충돌을 수행하는 경우 단순히 더 큰 (더 큰) 블랙홀을 생성하고 호킹 방사선으로 인해 증발합니다.

이것이 아마도 우리에게 양자 중력이 필요한 이유라고 주장 할 수 있습니다. 우리가 알고있는 양자 규칙을 우리가 알고있는 중력의 법칙에 적용하면 양자 물리학과 일반 상대성 이론 사이의 근본적인 비 호환성을 강조 할뿐입니다. 하지만 그렇게 간단하지 않습니다.

에너지는 에너지이며 우리는 그것이 공간 왜곡을 만든다는 것을 알고 있습니다. Planck 척도 또는 그 근처에서 양자 장 이론 계산을 시작하면 더 이상 계산을 수행 할 시공간 유형을 알 수 없습니다. 양자 전기 역학이나 양자 색 역학에서도 이러한 입자가 존재하는 배경 시공간은 평평하다고 간주 할 수 있습니다. 블랙홀 주변에서도 알려진 공간 기하학을 사용할 수 있습니다. 그러나 그러한 초강력 에너지로 공간의 곡률은 알 수 없습니다. 우리는 의미있는 것을 셀 수 없습니다.

충분히 높은 에너지 또는 (동등하게) 충분히 짧은 거리 또는 짧은 시간에서 현재의 물리 법칙을 위반합니다. 양자 계산을 수행하는 데 사용하는 공간의 배경 곡률은 신뢰할 수 없으며 불확실성 관계는 불확실성이 우리가 할 수있는 어떤 예측보다 크기가 더 크다는 것을 보장합니다. 우리가 알고있는 물리학은 더 이상 적용 할 수 없습니다. 이것이 우리가 "물리 법칙을 위반했다"는 말의 의미입니다.

그러나이 수수께끼에서 벗어날 방법이있을 수 있습니다. 헤 이젠 베르크 시대 이후로 오랫동안 방송 되어온 아이디어가 해결책을 제공 할 수 있습니다. 아마도 공간 자체에 대한 기본적으로 최소 길이 척도가있을 수 있습니다.

물론 유한 최소 길이 척도는 자체적 인 문제를 일으킬 것입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에서는 가상의 통치자를 어디에나 놓을 수 있으며 상대적인 속도에 따라 수축하는 것처럼 보입니다. 공간이 이산적이고 최소 길이 척도를 가지고 있다면, 다른 관찰자, 즉 서로 다른 속도로 움직이는 사람들은 이제 다른 기본 길이 척도를 측정 할 것입니다!

이것은 공간에서 특정 속도가 가능한 최대 길이를 가지며 다른 모든 속도가 더 짧아지는 "특권"기준 프레임의 존재를 설득력있게 증언합니다. 이것은 Lorentz 불변성 또는 지역 성과 같이 현재 우리가 근본적으로 생각하는 무언가가 잘못되었음을 의미합니다. 마찬가지로 이산 시간은 일반 상대성 이론에 큰 문제를 제기합니다.

그러나 실제로 가장 작은 길이 눈금이 있는지 여부를 확인하는 방법이있을 수 있습니다. 그가 죽기 3 년 전, 물리학 자 Jacob Bekenstein은 실험에 대한 훌륭한 아이디어를 내놓았습니다. 크리스탈을 통해 단일 광자를 보내면 약간 움직이게됩니다.

광자는 에너지에서 (지속적으로) 조정될 수 있고 결정은 광자의 운동량에 비해 매우 거대 할 수 있으므로 결정이 개별 "단계"로 이동하는지 또는 연속적으로 이동하는지 확인할 수 있습니다. 충분히 낮은 에너지의 광자를 사용하여 공간이 양자화되면 결정은 한 양자 단계를 이동하거나 전혀 이동하지 않습니다.

현재 10-35 미터 미만의 거리 척도 또는 10-43 초 미만의 시간 척도에서 일어날 일을 예측할 방법이 없습니다. 이 값은 우리 우주를 지배하는 기본 상수에 의해 설정됩니다. 일반 상대성 이론과 양자 물리학의 맥락에서 우리는 아직 이러한 한계를 넘어 설 수 없습니다.

중력의 양자 이론이 이러한 한계를 넘어서 우리 우주의 특성을 드러내거나 공간과 시간의 본질에 관한 몇 가지 근본적인 패러다임 변화가 우리에게 새로운 길을 보여줄 수도 있습니다.

그러나 오늘날 우리가 알고있는 것을 기준으로 계산하면 거리 나 시간 측면에서 플랑크 척도 아래로 갈 수 없습니다. 이 전선에서는 혁명이 일어날 수 있지만 그 징후는 그것이 어디에서 일어날 지 아직 우리에게 보여주지 않습니다.