Au cours des 100 dernières années, les physiciens ont construit des théories précises et puissantes sur l'univers, du plus petit au plus grand. Cependant, il existe des échelles sur lesquelles toutes ces théories ne fonctionnent pas et qui détiennent les plus grands secrets sur les lois de la nature.
Nous sommes habitués à vivre dans un monde de grandes choses macroscopiques. Tout ce que la personne moyenne rencontre pendant la journée - d'une tasse de café le matin à une énorme boule de feu dans le ciel appelée le soleil - sont des choses que nous pouvons voir ou toucher. Cependant, même dans la Grèce antique, les philosophes, en particulier Démocrite et son professeur Leucippe, ont suggéré que tout se compose des plus petites particules indivisibles - les atomes (littéralement traduit du grec signifie «indivisible»).
Au fil du temps, l'atome a été découvert, puis sa propriété est qu'il n'est pas du tout indivisible, mais se compose d'un noyau et d'un électron tournant autour de lui. Ensuite, il s'est avéré que le noyau se compose également de protons et de neutrons. Même plus tard, des quarks ont été découverts, dont les protons et les neutrons des noyaux atomiques sont composés. Ces minuscules particules sont appelées élémentaires. Outre les quarks, parmi les particules élémentaires, on trouve déjà des électrons, des bosons, des neutrinos et des photons. Tous sont considérés comme les mêmes «atomes» grecs anciens - indivisibles.
En 1899 (dans certaines sources - en 1900), le physicien allemand et fondateur à temps partiel de la théorie quantique Max Planck proposa une mesure spéciale de mesure - les unités de Planck. Il s'agit d'unités destinées à simplifier certaines expressions algébriques de la physique théorique, en particulier de la mécanique quantique. Celles-ci incluent des unités fondamentales telles que la masse de Planck, la température de Planck, la longueur de Planck et le temps de Planck. Dans cet article, nous allons considérer la longueur de Planck et le temps de Planck et essayer de le faire de la manière la plus compréhensible, sans calculs mathématiques compliqués (bien que nous aurons besoin de quelques formules).
Comme vous le savez déjà, la physique s'intéresse non seulement à l'étude d'énormes structures cosmiques comme les galaxies et les nébuleuses, mais aussi à des phénomènes incroyablement petits à l'échelle atomique et subatomique. Cependant, il existe une autre réalité à une échelle beaucoup plus petite que ce que la science a pu étudier. À ce niveau, il y a une valeur qui dépasse tellement la compréhension traditionnelle du «petit» qu'il est difficile d'imaginer. C'est la longueur de Planck - elle est 10 (à la puissance de 20) fois inférieure au diamètre du noyau d'un atome d'hydrogène. On suppose (ou, plus précisément, on soupçonne) que c'est à ce niveau que se forme la "mousse" de l'espace-temps. Pour comprendre de quelle valeur nous parlons, vous pouvez consulter l'animation "Échelle de l'univers" à ce lien.
Et pourtant de quelles dimensions parle-t-on? La longueur de Planck n'est que de 1,616 x 10 (à la puissance -35) mètres. Il peut être calculé à l'aide d'une équation qui comprend trois constantes fondamentales entières - la constante de Planck (6,6261 x 10 (à la puissance de -34)), la vitesse de la lumière dans le vide (2,29979 x 10 (à la puissance de 8) m / s) et la constante gravitationnelle (6,6738 x 10 (à la puissance-11)):
Max Planck est arrivé pour la première fois dans cette unité remarquable après avoir travaillé sur le rayonnement du corps noir et la mécanique quantique. Vous avez probablement entendu dire que c'est la durée la plus courte possible.
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Ici, comme dans le cas du concept grec ancien de l'atome, vous pouvez dire: "Bien sûr, si j'ai une certaine longueur et que je la divise en deux, puis que je la répète encore et encore, j'aurai des valeurs de plus en plus petites." Cependant, nous parlons d'une échelle à laquelle la physique n'est plus capable de faire la même chose que les mathématiques. L'un des exemples les plus frappants de telles impossibilités est le mouvement à une vitesse ultraluminale. Autrement dit, sur le papier, vous pouvez appliquer une force à la masse et l'accélérer à la vitesse de la lumière et plus, mais nous savons que dans la nature, cela est tout simplement physiquement impossible, car la masse d'un objet (et donc l'énergie nécessaire pour l'accélérer) augmente infiniment. Il s'avère que nous ne sommes pas en mesure de mettre en œuvre en réalité tout ce que nous pouvons faire sur papier.
La théorie des cordes prédit l'existence des chaînes qui composent toutes les particules élémentaires, précisément à la longueur de Planck / Examen de l'univers.
Alors, comment une si petite quantité s'intègre-t-elle dans la physique? Si deux particules sont séparées par une longueur de Planck ou encore moins de distance, il est alors impossible de déterminer les positions de chacune d'elles. De plus, tous les effets de la gravité quantique à cette échelle (le cas échéant) sont inconnus de la science, car là, l'espace lui-même n'est pas correctement défini. En un sens, nous pouvons dire que même si nous développions des méthodes de mesure capables de "regarder" ces échelles, nous ne pourrions jamais mesurer moins, indépendamment de l'amélioration de nos méthodes et de nos équipements.
Selon le modèle cosmologique standard, l'univers est né à la suite du Big Bang, qui a commencé à un point infiniment dense. Il est particulièrement intéressant que les physiciens et les cosmologistes n'aient pas la moindre idée des lois de la physique qui prévalaient dans l'Univers avant de dépasser la longueur de Planck en taille, car il n'y a toujours pas de théorie confirmée de la gravité quantique. Néanmoins, cette unité s'est avérée utile dans de nombreuses équations différentes qui ont aidé à calculer et à enquêter sur certains des mystères les plus importants de l'univers.
Par exemple, la longueur de Planck est un élément clé de l'équation de Bekenstein-Hawking pour le calcul de l'entropie d'un trou noir. Les théoriciens des cordes pensent que c'est à cette échelle qu'il existe des cordes «vibrantes» qui composent les particules élémentaires du modèle standard. Que la théorie des cordes soit vraie ou non, une chose est certaine: dans la recherche d'une théorie unifiée de tout, la compréhension de la longueur de Planck et de la physique qui y est associée jouera un rôle clé.
Les tout premiers moments de l'existence de l'Univers en cosmologie sont appelés l'ère Planck / Université de l'Illinois.
Et l'heure de Planck? En un mot, le temps de Planck est le temps qu'il faut à la lumière dans le vide pour parcourir la longueur de Planck. Par conséquent, ces deux grandeurs sont liées. Il est curieux que pour calculer le temps de Planck, la constante de Planck, la constante gravitationnelle et la vitesse de la lumière dans le vide soient nécessaires. La valeur exacte du temps de Planck est de 5,391 x 10 (à la puissance de -44) secondes, et elle est calculée par la formule:
Le temps de Planck est également appelé le quantum de temps - la plus petite valeur de temps qui a une valeur réelle. Les temps plus petits n'ont pas de sens. Revenant aux hypothèses théoriques, les théoriciens des cordes supposent que les cordes de la taille de Planck vibrent à une fréquence correspondant au temps de Planck. En 2003, lors de l'analyse des images Deep Field du télescope Hubble, certains scientifiques ont suggéré que si des fluctuations spatio-temporelles étaient présentes à l'échelle de Planck, les images d'objets très éloignés seraient floues. Les images de Hubble, ont-ils soutenu, étaient trop précises, ce qui, selon les experts, remettait en question le concept d'échelle de Planck. D'autres membres de la communauté scientifique n'étaient pas d'accord avec cette hypothèse, notant,que de telles fluctuations seraient trop faibles pour être observées. En outre, il a été suggéré que le flou attendu a été supprimé par la grande taille des objets dans les images.
Hubble Ultra-Deep Field / NASA / ESA / R. THOMPSON.
Ainsi, la longueur de Planck et le temps de Planck associé déterminent l'échelle à laquelle les théories physiques modernes cessent de fonctionner. Toute géométrie spatio-temporelle prédite par la théorie générale de la relativité cesse d'avoir un sens. Ces échelles stockent une théorie non encore découverte qui unit la relativité générale et la mécanique quantique, qui peut décrire le plus complètement les lois de la physique. En fait, c'est pour cette raison que les descriptions modernes du développement de l'Univers ne commencent que 5,391 x 10 (à la puissance de -44) secondes après le Big Bang, lorsque l'univers mesurait 1,616 x 10 (à la puissance de -35) mètres.
Vladimir Guillen
