Естественные единицы измерений имени Планка

Продолжение

Начало: http://proza.ru/2024/11/21/394; http://proza.ru/2024/11/23/618; http://proza.ru/2024/11/28/790; http://proza.ru/2024/11/29/241; http://proza.ru/2024/11/30/451; http://proza.ru/2024/12/01/360;  http://proza.ru/2024/12/02/245; http://proza.ru/2024/12/08/406
          



Помните давнюю-предавнюю рекламу, навязшую в ушах знаменитой фразой «Скоко вешать в граммах?» И далее: «А к чему такая точность? - Точность никогда не бывает лишней!»

Ну, да! Точность, как и вежливость, никогда не бывает лишней! (А точность, как известно, — вежливость королей!)

Но точность в граммах важна при взвешивании колбасы, а вот для «взвешивания» элементарных частиц она уже не годится. Тут не то что граммы, а даже миллиграммы будут казаться тоннами.

А как быть с взвешиванием так называемых «чёрных дыр»? Вот тут как раз и пригодится так называемая «планковская масса».

Количественно планковская масса равна примерно 2,2•10^-8 кг, или около 22 миллионных долей грамма (микрограмма). Это приблизительно равно необходимой суточной дозе потребления витамина D или массе песчинки. А вот фруктовая мушка дрозофила весит уже целых 10 планковских масс (толстуха!), а то и все 16 (целый планковский пуд!), или от 220 до 350 микрограмм. (Да, колбаску-то такими нанодозами не повешаешь…)

Однако, по сравнению с планковской длиной (1,6•10^-35 метра), планковским временем (5,4•10^-44 секунды) и планковской температурой (1,4•10^32 градусов Кельвина), недостижимыми никакими нашими линейкам, секундомерам и термометрами, это практически наш привычный мир из палаты мер и весов.  Хоть планковская масса — непривычная в быту и необычная единица измерений, зато она как минимум вполне достижима.

То же самое можно сказать и про планковскую энергию, которая численно равна планковской массе, умноженной на квадрат скорости света. (Помните самый известный физический мем? Правильно: «Е равно МЦ в квадрате»!)  Количественно планковская энергия равна примерно 2 миллиардам джоулей, или 543 киловатт-часу, или 467 миллионам калорий.

Это уже вполне привычные нам масштабы энергий. Например, эта энергия несколько превосходит дульную энергию мощнейшего артиллерийского орудия в истории — 800-мм железнодорожной пушки Дора, которая была применена нацистами при штурме Севастополя в 1942 году. Бетонобойный снаряд у этой пушки весил 7 тонн, а летал он на 38 километров с начальной скоростью 720 метров/сек. (Враг не пройдёт! Победа будет за нами!)

Ну, а в мирной жизни средняя семья потребляет планковские 543 киловатт-часа электричества примерно за 2–3 месяца. (Экономика должна быть экономной, дорохие товарищи!)

Однако тут есть небольшой нюансик: эта энергия, которая довольна велика для нашего макромира, запредельно огромна для микромира, в котором масса протона, например, составляет  около 1,67•10^-27 кг (примерно одна десятимиллионная триллионная планковской массы). Именно протоны наряду с ионами и разгоняют в небезызвестных адронных коллайдерах в тщетной попытке приблизиться к уровням планковской энергии.

Само прилагательное «адронный» происходит от существительного «адрон». Адроны (от др.-греч.  «сильный», «толстый», «крепкий», «тучный») — это класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Протоны, наряду с нейтронами, из которых состоит атомное ядро, как раз и являются адронами. 

Например, Большой адронный коллайдер (БАК) в Женеве может сталкивать друг с другом пучки частиц с рекордной энергией около 6 трлн электронвольт у каждого, то есть суммарная энергия столкновений составляет 12 трлн электронвольт. А что такое триллион электронвольт?

По данным ЦЕРН, один триллион электронвольт приблизительно равен кинетической энергии летящего комара или энергии, выделяющейся при падении маленькой капли воды диаметром в 1 мм (массой ок. 0,5 мг) с высоты 3 см. Если планковскую энергию выражать в тех же непривычных для человека, далёкого от атомной и ядерной физики, терминах «электронвольт», то её величина составит уже 1,22•10^28 электронвольт (порядка 12 тысяч триллионов триллионов электронвольт). Да, до планковской энергии современным «комариным» коллайдерам, прямо скажем, далековато пока.

Планковская энергия больше рекордной энергии, достигаемой на сей день в коллайдерах, аккурат на 15 порядков, то есть в квадриллион раз. Это много! Это число с 15 нулями. До достижения этой энергии современной науке — как до звёзд! Чтобы достичь этой энергии, надо разогнать протон в ускорителе так, чтобы кинетическая энергия 12 летящих комаров превратилась в дульную энергию железнодорожной пушки Дора. (Заряжай!)

Получив некоторое количественное представление о планковских единицах измерения, прейдём к качественной стороне вопроса. Вспомним, что все планковские единицы являются расчётными константами. Все они выводятся из формул, которые содержат всего 3 фундаментальные физические постоянные (на иллюстрации).

Заметьте: расчёты ведутся не исходя из привычных человеку масштабов измерений, которые все являются искусственными и привязанными к каким-то эталонам. Например, 1 грамм равен массе 1 кубического сантиметра химически чистой дистиллированной воды при температуре её наибольшей плотности (около 4 °С) с точностью до 0,2%.  (Так себе точность…) 

Эталоном метра в своё время служили: то длина маятника с периодом колебаний в 1 секунду, то одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана,  то эталон из платиново-иридиевого сплава, то 1 650 763,73 длины волны оранжевой линии (6056 А) спектра, излучаемого изотопом криптона 86Kr в вакууме (простенько и со вкусом…), то длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды. В каждом последующем случае точность эталона всё возрастала, а погрешность всё убывала: абсолютная погрешность снизилась с 0,5–0,1 миллиметра до 0,1 нанометра, а относительная с 10^-4 до 10^-10. (Практически, с точностью до копейки!)

В случае же с планковскими единицами их не приравнивают ни к объёму воды, ни к части Парижского меридиана, а выводят из формул. Эта система единиц измерения была предложена в 1901 году немецким физиком Максом Планком и названа в его честь.

Все расчёты в этих формулах ведутся в неких природных, или естественных фундаментальных единицах измерения, открытых в результате прогресса науки. Причём все эти единицы — приведённая постоянная Планка (постоянная Дирака), гравитационная постоянная и скорость света — являются фундаментальными постоянными, то есть константами. Соответственно, и все выводимые из них планковские единицы измерений тоже являются фундаментальными константами.

Вообще-то фундаментальных констант гораздо больше. И, как оказалось в середине прошлого века, наша антропная Вселенная стала пригодной для возникновения и развития в ней жизни именно благодаря тому, что эти константы имеют именно то значение, которое они имеют. «Шаг влево», «шаг вправо» от «тонкой настройки» фундаментальных констант на существующих уровнях — и жизни во Вселенной просто не возникло бы. Что это — случайность или некая непознанная закономерность?

Ну, а каков смысл планковских единиц измерения? Этот смысл сводится к тому, что указанные единицы измерений являются, с одной стороны, некими естественными физическими пределами измерений, а, с другой стороны, на этих масштабах измерений начинают оказывать сильное влияние дотоле несущественные физические взаимодействия.

Например, невозможно исследовать природу привычными методами на расстояниях меньше планковской длины. Зато если попытаться «втиснуть» планковскую массу, равную 22 микрограммам, в планковский объём со стороной куба в 1,6•10^-35 метра, то это, как считают учёные, приведёт к образованию самой крохотной «чёрной дыры». (Скоко вешать в планковских массах?) Поэтому, по мнению советского академика Маркова, планковская масса является верхним пределом для масс элементарных частиц. По мнению же Стивена Хокинга, та же планковская масса является нижним пределом масс чёрных дыр.

По мнению академика Сахарова, планковская температура в 1,42•10^32 градуса Кельвина является максимально возможной температурой теплового излучения. Хотя ничего подобного в природе просто не зафиксировано. По данным на 2023 год, самым горячим объектом во Вселенной считается квазар 3C273, температура которого  составляет около 10 трлн кельвинов. Это на 19 порядков меньше, чем планковская температура.

Принципиально же для физиков важно то, что на этом температурном уровне энергия частиц должна становиться настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями. В современной космологии эта температура соответствует температуре Вселенной в первый момент Большого взрыва. (Вот это космическая баня! С лёгким космическим паром, новорожденная Вселенная!)

По мнению того же А.Д. Сахарова, планковская энергия в 1,2•10^28 электронвольт и длина, равная 1,6•10^-33 см, «определяют область применимости существующих понятий пространства и причинности».

А с какими пределами и новыми физическими влияниями может быть связано планковское время, которое в планковской системе единиц служит константой и не поддаётся никаким релятивистским замедлениям?

Попробуем мысленно заглянуть внутрь планковского времени, или же кванта времени.


Продолжение следует: http://proza.ru/2024/12/21/487

   
         18 декабря 2024 года