زمان پلانک یک بازه زمانی فوق‌العاده کوتاه است که به طور طبیعی از چند کمیت اساسی در فیزیک نظری ناشی می‌شود. هنگامی که در اواخر قرن نوزدهم توسط ماکس پلانک کشف شد، چیزی جز کنجکاوی علمی به نظر نمی رسید. اما امروزه نقش هیجان انگیزی در درک ما ایفا می کند مهبانگ و جست و جوی نظریه ای از گرانش کوانتومی.
در اینجا خلاصه ای از همه چیزهایی است که در مورد زمان پلانک می دانیم: از کجا آمده است، چیست و چه چیزی می تواند در مورد نحوه عملکرد جهان آشکار کند.
متصل: زمان چگونه کار می کند؟
تعریف پلانک از زمان
زمان پلانک برای اولین بار در مقاله ای علمی توسط پلانک در سال 1899 در بخشی به نام "واحدهای طبیعی" توضیح داده شد (گزارش آلمانی را می توان در کتابخانه میراث تنوع زیستی یافت). در استفاده روزمره، واحدها چیز مهمی نیستند. ما از هر چیزی که مناسب است استفاده می کنیم - اونس یا تن جرم، مایل یا اینچ فاصله، دقیقه یا روز زمان. دانشمندان تمایل به استفاده از بله متحد کیلوگرم، متر و ثانیه، زیرا آنها محاسبات پیچیده را ساده می کنند - اما فقط تا یک نقطه. ریاضیات همچنان می تواند به طرز طاقت فرسایی پیچیده شود.
به عنوان مثال، در معادله نیروی گرانشی نیوتن، ثابت گرانشی G دارای واحدهای چرخش مغزی «متر مکعب بر کیلوگرم بر ثانیه مربع» است. دانشگاه سوئینبرن. در این واحدها G - که یکی از بنیادی ترین اعداد در جهان است - دارای مقدار دلخواه 0.0000000000667 است. پلانک می خواست مجموعه "طبیعی" تری از واحدها را بیابد که در آن G و ثابت های بنیادی مشابه دقیقاً برابر با 1 باشند.
متصل: سال نوری چیست؟
ماکس پلانک که بود؟
ماکس پلانک ممکن است نام رایجی نباشد، اما او به جهان یک عبارت رایج داد: نظریه کوانتومی. طبق گزارش آژانس فضایی اروپا، که فضاپیمای خود را به نام پلانک نامگذاری کرد، این موفقیت در سال 1900 اتفاق افتاد، زمانی که او متوجه شد که انرژی فقط در بسته های کوچک با اندازه تعیین شده قابل انتقال است که او آن را "کوانتا" نامید. چندین دهه بود که مانند ورنر هایزنبرگ و اروین شرودینگر تمام عجیب و غریب‌های کوانتومی را که امروزه با آنها آشنا هستیم، کشف کردند، اما اگر پلانک ابتدا راه را هموار نمی‌کرد، هیچ‌یک از اینها ممکن نبود. به این ترتیب، او به درستی به عنوان پدر فیزیک کوانتومی توصیف می شود.
دومین پارامتری که پلانک انتخاب کرد سرعت نور c بر حسب متر بر ثانیه بود. مشخص است که این ثابت مهم حتی در سال 1899 بود، با وجود این واقعیت که اینشتین نظریه نسبیت، که ارتباط نزدیکی با آن دارد، هنوز چند سال پیش است. سومین پارامتر یک ثابت کاملاً جدید بود که خود پلانک به تازگی کشف کرده بود و اکنون به سادگی به عنوان ثابت پلانک شناخته می شود. معمولاً با حرف h نشان داده می شود، این نسبت انرژی فوتون به فرکانس آن است، در واحد کیلوگرم ضرب در متر مربع در ثانیه.
پلانک با در نظر گرفتن این سه ثابت به عنوان نقطه شروع، توانست مجموعه جدیدی از واحدهای اندازه گیری را بیابد که همه آنها دقیقاً برابر با یک هستند. این واحدهای اساسی جرم پلانک، طول پلانک و زمان پلانک نامیده می شوند. علاقه خاص ما در اینجا به دومی است، اما ارتباط نزدیکی بین دو مورد اخیر وجود دارد: طول پلانک برابر است با زمان پلانک ضرب در سرعت نور.
معادله زمان پلانک
زمان پلانک در ثانیه
ایالات متحده موسسه ی ملی استانداردها و تکنولوژی مقدار زمان پلانک را 5.391247 × 10 ^ -44 ثانیه می دهد. در منابع دیگر، از جمله مقاله اصلی پلانک، می توانید مقدار کمی بزرگتر در حدود 1.35 × 10 ^ -43 ثانیه پیدا کنید. همانطور که به اریک وایستاین توضیح داده شد دنیای فیزیک سایت، این به دلیل استفاده از دو نسخه مختلف از ثابت پلانک است. مقدار بزرگتر از مقدار اولیه پلانک، h استفاده می کند، در حالی که مقدار کوچکتر و رایج تر، از پارامتری به نام h-bar استفاده می کند که h تقسیم بر 2 پی است.
هر مقداری که استفاده شود، نتیجه یک فاصله زمانی است که در زمینه تجربه روزمره به طرز غیرقابل تصوری کوچک است. نانوثانیه، که اغلب به صورت محاوره ای به معنای "زمان بسیار کوتاه" استفاده می شود، 0.000000001 ثانیه با 8 صفر بین نقطه اعشار و اولین رقم مهم است. زمان پلانک کمتر از 43 صفر ندارد. این مدت زمانی است که طول می کشد تا نور به طول یک پلانک، که حدود یک صدم یک میلیونیم تریلیونم قطر یک پروتون است، بپیماید. مجله تقارن.
آیا زمان پلانک واقعی است؟
به گفته KA Tomilin از موسسه تاریخ علم و فناوری مسکو، از آنجایی که زمان پلانک بسیار کوتاه است، قبل از دهه 1950 عمدتاً توسط دانشمندان نادیده گرفته شد. در بهترین حالت، این یک کنجکاوی جالب بدون اهمیت فیزیکی واقعی در نظر گرفته شد. سپس، هنگامی که فیزیکدانان شروع به جستجوی «نظریه همه چیز» کردند که هم گرانش و هم مکانیک کوانتومی را پوشش می‌داد، متوجه شدند که زمان پلانک می‌تواند از اهمیت زیادی برخوردار باشد.
نکته کلیدی در این واقعیت نهفته است که زمان پلانک، همراه با سایر واحدهای پلانک، هم ثابت گرانشی G و هم ثابت پلانک h را در بر می گیرد که در نظریه کوانتومی مرکزی است. به طور ناخواسته، در سال 1899، پلانک فرمولی را ابداع کرد که هر دو نیمه فیزیک مدرن را در بر می گرفت، مدتها قبل از اینکه کسی به دنبال چنین ارتباطی باشد.
واحدهای جهانی
انگیزه اولیه پلانک در توسعه سیستم اندازه‌گیری خود این بود که مجموعه‌ای از واحدهای غیرزمین‌گرا را به همان شکلی که واحدهای ما هستند تعریف کند. این حتی در مورد به اصطلاح "واحد نجومی" نیز صدق می کند، که طبق دانشگاه سوری میانگین فاصله زمین تا خورشید یا سال نوری است، که فاصله ای است که نور در مدت زمانی که روی زمین طی می کند طی می کند. . یک بار به دور خورشید بچرخد در مقابل، واحدهای پلانک - هر چند برای استفاده روزمره غیر عملی باشند - چنین ارتباطات انسان محوری ندارند. همانطور که خود پلانک می گوید، طبق گفته دان لینکلن فرمیلب، واحدهای او "به ناچار اهمیت خود را برای همه زمان ها و برای همه تمدن ها، حتی بیگانه و غیرانسانی، حفظ می کنند."
برای هر جرم، نظریه گرانش اینشتین - نظریه نسبیت عام - مقیاس مشخصی از طول به نام شعاع شوارتزشیلد را ارائه می دهد. اما نظریه کوانتومی مقیاس طولی خاص خود را برای این جرم دارد که به گفته دانشگاه ایالتی جورجیا، طول موج کامپتون نامیده می شود. بنابراین، آیا جرمی وجود دارد که شعاع شوارتزشیلد دقیقاً برابر با طول موج کامپتون باشد؟ معلوم شد که وجود دارد - و این جرم پلانک است، که برای آن این دو پارامتر، یکی از نظریه کوانتومی و دیگری مربوط به نسبیت عام، برابر با طول پلانک هستند.
آیا این فقط یک تصادف است یا به این معنی است که اثرات گرانشی و کوانتومی واقعاً در مقیاس پلانک شروع به همپوشانی کرده اند؟
برخی از دانشمندان، مانند دیگو مسکینی از دانشگاه جیواسکیلا در فنلاند، همچنان مشکوک هستند، اما اتفاق نظر کلی این است که واحدهای پلانک نقش کلیدی در پیوند این دو حوزه فیزیک دارند. یک احتمال این است که خود فضا-زمان در سطح طول پلانک و زمان پلانک کوانتیزه شود. اگر این درست باشد، پس بافت فضا-زمان، وقتی در این مقیاس مشاهده شود، بیشتر شبیه یک توده به نظر می رسد تا یک بافت صاف.
در زمان پلانک چه اتفاقی افتاد؟
برخی در کیهان وجود دارند که امروزه می بینیم چهار نیروی اصلی: جاذبه، الکترومغناطیس و نیروهای هسته ای قوی و ضعیف. اما وقتی به گذشته نگاه می کنیم تا اولین لحظات پس از انفجار بزرگ، جهان چنان داغ و متراکم می شود که این نیروها به تدریج در یکدیگر ادغام می شوند. همه چیز خیلی سریع اتفاق افتاد. از ده میکروثانیه به بعد، این چهار نیرو دقیقاً مانند امروز به نظر می رسیدند. با این حال، قبل از آن، هیچ تفاوتی بین نیروهای الکترومغناطیسی و نیروهای ضعیف وجود نداشت - و 10 ^ -36 ثانیه پیش، نیروی قوی به آنها پیوست.
در آن زمان، گرانش هنوز یک نیروی جداگانه بود - و بر اساس تئوری های فعلی، ما نمی توانیم به گذشته نگاه کنیم. اما باور عمومی بر این است که با درک بهتر گرانش کوانتومی، متوجه خواهیم شد که قبل از زمان پلانک، گرانش با سایر نیروها نیز متحد شده بود. تا زمان پلانک، حدود 5 × 10 ^ -44 ثانیه پس از انفجار بزرگ، گرانش به نیروی جداگانه ای تبدیل شد که امروز می بینیم.