Planka laikmets — Visuma sākums, kvantu gravitācija un nozīme

Planka laikmets: uzzini Visuma sākumu, kvantu gravitācijas lomu un tās nozīmi kosmoloģijā — skaidrojums par pirmo Planka laika posmu un teorētiskajām sekām.

Planka laikmets ir visuma vēstures agrākais laika posms, kas aptver laiku no nulles līdz aptuveni Planka laikam (tₚ) — apmēram 5,39×10⁻⁴⁴ sekundēm (bieži norāda arī aptuveni 10⁻⁴³ s kā noapaļotu rēķinu). Planka skala ir fizikālais mērogs, aiz kura pašreizējās fizikālās teorijas, it īpaši klasiskā vispārējā relativitāte, var nebūt piemērojamas, un kuras nevar izmantot, lai droši aprēķinātu, kas notika. Šajā laika mērogā visi fizikālie lielumi — temperatūra, enerģija, blīvums utt. — bija Plankas vienību apmēra un visuma stāvoklis bija neizmērojami karsts un blīvs. Tiek uzskatīts, ka tajā brīdī pat subatomārās daļiņas nevarēja pastāvēt kā mūsdienu izpratnē, un visi četri fundamentālie spēki, kas veido mūsu Visumu, iespējams, bija apvienojušies vienā vienotā spēkā.

Plankas vienības — mērogi, kas nosaka kvantu gravitācijas robežas

Plankas vienības definē dabas mērogus, pie kuriem kvantu un gravitācijas efekti kļūst vienlīdz nozīmīgi. Piemēri ar aptuvenām vērtībām:

• Planka laiks (tₚ): ≈ 5,39×10⁻⁴⁴ s
• Planka garums (lₚ): ≈ 1,62×10⁻³⁵ m
• Planka masa (mₚ): ≈ 2,18×10⁻⁸ kg (≈ 1,22×10¹⁹ GeV/c²)
• Planka enerģija (Eₚ): ≈ 1,22×10¹⁹ GeV (≈ 1,96×10⁹ J)
• Planka temperatūra (Tₚ): ≈ 1,42×10³² K

Kāpēc pašreizējās teorijas izjūk

Tradicionālā Lielā sprādziena kosmoloģija, balstoties uz Einšteina vispārējo relativitāti, paredz gravitācijas singularitāti pirms Planka laikmeta. Tomēr vispārējā relativitāte ir klasiska teorija un neietver kvantu mehānikas principus. Kad laika un telpas mērogi kļūst tik mazi, kvantu efekti gravitācijā kļūst neizbēgami un klasiska apraksta pieņēmumi kļūst neuzticami. Tāpēc ap Planka laiku nepieciešama kvantu gravitācijas teorija — fizikas teorija, kas izskaidro gan kvantu mehāniku, gan gravitāciju vienotā, iekšēji saskanīgā aprakstā.

Kāds varētu būt bijis notikumu gājiens Planka laikmetā?

Precīzs notikumu secīgums paliek spekulatīvs, bet plaši pieņemtā ideja ir šāda:

• Planka laikmets (t < tₚ): telpa-laiks pats varēja būt kvantu režīmā — iespējami lieli kvantu fluktuāciju efekti, nav skaidras klasiskas telpas vai laika asi. Gravitācijas kvantu ietekme dominē, un ir iespējama vienotā spēka eksistence, kurā visi spēki bija saplūduši.
• Pēc Planka laikmeta: Visuma atdzišana ļāva spēkiem pakāpeniski atdalīties. Pirmām kārtām gravitācija, iespējams, "atšķīrās" no pārējiem spēkiem, un vēlāk, GUT (Lielās apvienošanās) rejona laikā, stiprā mijiedarbība atdalījās no elektroslāpekļa, tad vēlāk elektroslāpešķas un vāji mijiedarbības atdalījums (elektroslāpekļu atdalīšanās) notika.
• Šīs fāzes varēja radīt apstākļus, no kuriem sākās pazīstamā kvarku, leptonu un vēlāk atomu un struktūru rašanās.

Teorijas un pieejas kvantu gravitācijai

Lai aprakstītu Planka laikmetu, fiziķi piedāvā vairākas pieejas kvantu gravitācijai. Starp populārākajām ir:

• Stīgu teorija — mēģina apvienot visas daļiņas un spēkus kā stīgu vibrācijas, piedāvājot arī gravitonu kā kvantu.
• Spraugu kvantu gravitācija (loop quantum gravity) — cenšas kvantizēt telpas-laika struktūru tieši, bez papildus dimensijām.
• Citas pieejas — piemēram, asimptotiskā drošība, kauzālās dinamiskās triangulācijas un citas, kas mēģina izskaidrot, kā gravitācija var uzvesties kvantu līmenī.

Visas šīs teorijas joprojām saskaras ar lieliem izaicinājumiem — gan matemātiskā, gan novērojumu ziņā — un līdz šim nav vienota, eksperimentāli apstiprināta kvantu gravitācijas modelis.

Nozīme kosmoloģijā un novērojumu ievadi

Planka laikmetam ir liela teorētiska nozīme, jo tas saista jautājumus par:

• telpas un laika izcelsmi;
• Universa sākotnējām nosacījumu izmaiņām (piem., kā radās kvantu fluktuācijas, kas vēlāk deva sākumu struktūru formēšanai);
• singu­laritātes problēmu — vai īsta fizikāla singularitāte vispār pastāvēja vai kvantu gravitācija to izglābusi;
• iespējamo pēctecību starp kvantu gravitācijas efektu un novērojumiem, piemēram, kosmiskā mikroviļņu fonā (CMB) iedarbībām vai primordiālajām gravitatīvajām viļņiem.

Tomēr tieša novērojumu piekļuve Planka laikmetam praktiski nav iespējama ar mūsdienu tehnoloģijām: enerģijas, kas vajadzīgas, lai nonāktu Plankas mērogā, ir milzīgas. Tādēļ pētījumi balstās uz teorētiskiem modeļiem un sekundāriem novērojumiem (piem., CMB detaļas, primordiālie gravitatīvie viļņi, augstas enerģijas astrofizikas datu atbilstība modeļiem).

Kopsavilkums

Planka laikmets ir Visuma agrākais posms, kurā kvantu gravitācija bija dominējošā, un kur klasiskie fizikālie apraksti, īpaši vispārējā relativitāte, visticamāk, vairs nestrādāja. Tas iezīmē robežu starp to, ko var droši prognozēt ar mūsdienu teorijām, un nezināmo, kura izpratnei nepieciešama kvantu gravitācijas teorija. Izpratne par šo laikmetu ir būtiska, lai atbildētu uz fundamentāliem jautājumiem par telpas, laika un spēku izcelsmi, taču daudzi jautājumi paliek atklāti un ir aktīvu pētījumu objekts.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Planka laikmets?

J: Kas ir Planka skala?

J: Kādi bija daži fizikālie lielumi Planka laikmetā?

J: Kāds bija Visuma stāvoklis Planka laikmetā?

J: Kāda ir tradicionālā Lielā sprādziena kosmoloģijas prognoze par Planka laikmetu?

J: Kas dominēja kosmoloģijā un fizikā Planka laikmetā?

J: Kas notika pēc Planka laikmeta?

Meklēt pēc burta