Ogólna teoria względności, teoria grawitacji Einsteina, daje nam użyteczną podstawę do matematycznego modelowania wszechświata dużej skali - podczas gdy teoria kwantów daje nam użyteczną podstawę do modelowania fizyki cząstek subatomowych i prawdopodobnej fizyki na małą skalę o wysokiej gęstości energii wczesny wszechświat - nanosekundy po Wielkim Wybuchu - którego ogólna teoria względności stanowi jedynie osobliwość i nie ma nic więcej do powiedzenia w tej sprawie.
Teorie grawitacji kwantowej mogą mieć więcej do powiedzenia. Rozszerzając ogólną teorię względności na kwantową strukturę czasoprzestrzeni, być może uda nam się wypełnić lukę między fizyką małą i dużą. Na przykład istnieje podwójnie szczególna teoria względności.
Przy konwencjonalnej specjalnej teorii względności dwie różne bezwładnościowe układy odniesienia mogą mierzyć prędkość tego samego obiektu w różny sposób. Jeśli więc jedziesz pociągiem i rzucasz piłką tenisową do przodu, możesz zmierzyć ją z prędkością 10 kilometrów na godzinę. Ale ktoś stojący na peronie kolejowym i obserwujący twój przejazd z prędkością 60 kilometrów na godzinę, mierzy prędkość piłki z prędkością 60 + 10, tj. 70 kilometrów na godzinę. Daj lub weź kilka nanometrów na sekundę, obie mają rację.
Jednak, jak zauważył Einstein, wykonaj ten sam eksperyment, w którym świecisz wiązką pochodni, zamiast rzucać piłkę do przodu w pociągu - zarówno w pociągu, jak i osoba na peronie mierzy prędkość wiązki pochodni jako prędkość światła - bez tych dodatkowych 60 kilometrów na godzinę - i oboje macie rację.
Okazuje się, że dla osoby na peronie składniki prędkości (dystans i czas) są zmieniane w pociągu, tak że odległości są skurczone i czas rozszerzony (tj. Wolniejsze zegary). Dzięki matematyce transformacji Lorenza efekty te stają się bardziej oczywiste, im szybciej jedzie pociąg. Okazuje się również, że masa obiektów w pociągu również rośnie - chociaż, zanim ktokolwiek zapyta, pociąg nie może zmienić się w czarną dziurę nawet przy 99,9999 (itd.) Prędkości światła.
Teraz, podwójnie szczególna teoria względności, sugeruje, że nie tylko prędkość światła jest zawsze taka sama niezależnie od twojego układu odniesienia, ale jednostki masy i energii Plancka są zawsze takie same. Oznacza to, że efekty relatywistyczne (takie jak masa, która wydaje się zwiększać w pociągu) nie występują w skali Plancka (tj. Bardzo małej) - chociaż w większych skalach podwójnie szczególna teoria względności powinna dawać wyniki nie do odróżnienia od konwencjonalnej szczególnej teorii względności.
Podwójnie szczególna teoria względności może być również uogólniona w kierunku teorii grawitacji kwantowej - która po rozszerzeniu ze skali Plancka powinna dawać wyniki nieodróżnialne od ogólnej teorii względności.
Okazuje się, że w skali Plancka e = m, choć w skali makro e = mc2. W skali Plancka masa Plancka wynosi 2.17645 × 10-8 kg - podobno masa jaja pcheł - i ma promień Schwarzschilda o długości Plancka - co oznacza, że jeśli skompresujesz tę masę do tak małej objętości, stanie się bardzo małą czarną dziurą zawierającą jedną jednostkę energii Plancka.
Innymi słowy, w skali Plancka grawitacja staje się znaczącą siłą w fizyce kwantowej. Chociaż tak naprawdę wszystko, co mówimy, to to, że istnieje jedna jednostka siły grawitacji Plancka między dwiema masami Plancka, gdy są one rozdzielone długością Plancka - a przy okazji, długość Plancka to odległość, jaką światło porusza się w obrębie jednej jednostki czasu Plancka!
A ponieważ jedna jednostka energii Plancka (1,22 × 1019 GeV) jest uważana za maksymalną energię cząstek - kuszące jest rozważenie, że reprezentuje to warunki oczekiwane w epoce Plancka, która jest pierwszym etapem Wielkiego Wybuchu.
Wszystko to brzmi strasznie ekscytująco, ale ten sposób myślenia został skrytykowany jako po prostu sztuczka, aby matematyka działała lepiej, usuwając ważne informacje o rozważanych systemach fizycznych. Ryzykujesz również podważeniem podstawowych zasad konwencjonalnej teorii względności, ponieważ, jak w poniższym dokumencie, długość Plancka można uznać za niezmienną stałą niezależną od układu odniesienia obserwatora, podczas gdy prędkość światła staje się zmienna przy bardzo dużych gęstościach energii.
Niemniej jednak, ponieważ nie oczekuje się, że nawet Wielki Zderzacz Hadronów dostarczy bezpośrednich dowodów na to, co może się wydarzyć w skali Plancka, a może nie, na razie poprawa działania matematyki wydaje się być najlepszym rozwiązaniem.
Dalsza lektura: Zhang i in. Fotodynamiczna termodynamika w podwójnej szczególnej teorii względności.
