Загадка мироздания: Брайан Кокс о фундаментальных масштабах Вселенной 0:00
Физик Брайан Кокс в интервью для Big Think исследует природу фундаментальных констант Вселенной и объясняет, как абстрактные величины определяют структуру космоса, от размера черных дыр до предела массы звезд. По словам Кокса, за кажущейся сложностью физических законов скрывается удивительная простота, основанная на трех «китах» природы: скорости света, постоянной Планка и гравитационной постоянной.
🌌 Что такое планковская длина? 0:00
Традиционные единицы измерения, такие как метр или фут, исторически привязаны к биологии человека, а не к глубокой структуре Вселенной. Чтобы найти «универсальный язык» природы, который поняли бы даже инопланетные цивилизации, физик Макс Планк разработал систему фундаментальных единиц.
Одной из таких величин является планковская длина — примерно $10^{-35}$ метра. Она вычисляется с помощью комбинации трех фундаментальных констант:
- Постоянная Планка ($h$)
- Гравитационная постоянная Ньютона ($G$)
- Скорость света ($c$) в кубе
Кокс подчеркивает, что планковская длина — это не просто число, а фундаментальная характеристика пространства. Например, расчеты физика Джейкоба Бекенштейна в 1970-х годах показали, что энтропия (информация) черной дыры прямо пропорциональна площади ее горизонта событий, выраженной в квадратных планковских длинах.
Однако ученый делает важную оговорку: планковская длина является фундаментальной при текущих измерениях, но в гипотетических сценариях, например, при наличии дополнительных пространственных измерений, параметры гравитации могут меняться, что потенциально «расширит» планковский масштаб.
🕳️ Ограничения наблюдения и черные дыры 8:26
Попытка изучить структуру материи на планковских масштабах приводит к парадоксу. Согласно квантовой механике, чтобы увидеть объект, необходимо использовать излучение с длиной волны, сопоставимой с размером самого объекта. Чем меньше объект, тем выше энергия фотонов, необходимых для его наблюдения.
Если попытаться исследовать область планковского размера, плотность энергии станет настолько колоссальной, что приведет к формированию черной дыры. При попытке рассмотреть структуру внутри, черная дыра будет лишь расти, поглощая больше энергии, что делает невозможным наблюдение объектов меньше планковской длины.
🌟 Предел Чандрасекара: от квантов к звездам 12:24
Одним из самых красивых результатов в физике Брайан Кокс называет расчет максимальной массы белого карлика, выполненный Субраманьяном Чандрасекаром в 1930-х годах. Этот расчет демонстрирует связь микромира с астрофизическими объектами:
- Жизненный цикл звезды: Звезда удерживается от коллапса за счет давления термоядерных реакций в ядре. Когда топливо заканчивается, начинается сжатие.
- Роль электронов: Внутри остывающего белого карлика давление создается электронами, которые, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, при сжатии начинают двигаться быстрее, создавая «квантовое давление».
- Предел стабильности: Из-за ограничений теории относительности скорость движения электронов не может превышать скорость света. Это накладывает предел на давление, которое они могут создать.
Результатом этих квантовых процессов является предел Чандрасекара — максимальная масса звезды, которая может удерживаться собственными силами без перехода в черную дыру. Она составляет примерно 1,4 массы нашего Солнца. По словам Кокса, это фундаментальное значение можно вычислить, используя все те же три константы (массу Планка), что подчеркивает неразрывную связь между самыми маленькими и самыми большими объектами в космосе.
