Plancki ajastu: universumi esimesed 10⁻⁴³ s ja Plancki skaala

Plancki ajastu: universumi esimesed 10⁻⁴³ s ja Plancki skaala — kvantgravitatsiooni, ühtse jõu ja äärmuslike temperatuuride ning energiatiheduse põnev algfaas.

Plancki ajastu on kõige varasem ajavahemik universumi ajaloos, kuni aja väärtus jõudis Plancki ajani (tₚ). Tavapärases kirjanduses tähistatakse seda ligikaudu 10^-43 sekundiga pärast Suurt Pauku, kaalutletult kuni Plancki aja väärtuseni (tₚ ≈ 5,39×10^-44 s). Plancki skaala on füüsikaline skaala, millest kaugemale ei saa praegused tuntud teooriad (üldrelatiivity ja standardmudel) usaldusväärselt kohaldada – selle all olevates tingimustes on kvantmõjud ja gravitatsioon võrdselt olulised ning tavapärased arvutused muutuvad mõttetuks. Sellel ajaskaalal olid kõik füüsikalised suurused, nagu temperatuur ja energia tihedus, võrreldavad Plancki ühikute suurusjärguga ja olid ülisuured.

Mida tähendab „Plancki skaala” ja peamised Plancki ühikud

Plancki skaala tähistab mõõte- ja energiaskaalat, kus kvantmehaanika ja gravitatsioon mõjutavad maailmapildi kõikehõlmavalt. Olulised Plancki ühikud on:

• Plancki aeg tₚ ≈ 5,39×10^-44 s — ligikaudne kõige väiksem aegvaru, mille juures tavapärane ruum‑aeg mõtestatuna klassikalise relatiivsusteooria alusel enam ei kehti.
• Plancki pikkus lₚ ≈ 1,616×10^-35 m — skaala, kus ruumi struktuur võib muutuda „müra” või kvantvahu sarnaseks.
• Plancki energia / mass Eₚ ≈ 1,22×10^19 GeV (vastab Plancki massile mₚ ≈ 2,18×10^-8 kg) — energia, mille juures gravitatsioon muutub võrreldavaks teiste fundamentaalsete interaktsioonidega.
• Plancki temperatuur Tₚ ≈ 1,42×10^32 K — ligikaudne temperatuuri skaala Plancki ajastu tingimuste kirjeldamiseks.

Füüsikaline olukord Plancki ajastus

Plancki ajastu ajal olid temperatuur ja keskmised energiad universumis nii suured, et isegi tuntud subatomaarsed osakesed ja väljendid (nagu prootonid, neutronid ja isegi elementaarosakeste „klassikalised” omadused) ei saanud püsivalt moodustuda. Arvatakse, et kõiki nelja fundamentaalset jõudu — nõrk ja tugev tuumajõud, elektromagnetiline jõud ning gravitatsioon — ei saa selles piirväärtuses eristada samamoodi nagu madalamatel energiatel: nad olid kas ühtsema kirjelduse all või väga tihedalt seotud kvantprotsessides.

Mis on teadmata ja miks tavaline kosmoloogia ei kehti

Traditsiooniline Suure Paugu mudel, mis tugineb üldrelatiivsusteooriale, viitab gravitatsioonilisele singulaarsusele enne Plancki aega. Kuid üldrelatiivity on klassikaline teooria ja eeldatakse, et Plancki tasandil lagunevad selle lähendid kvantprotsesside tõttu. Universumi erakordselt väikese mõõtkava ja kõrgete energia tõttu muutuvad gravitatsiooni kvantmõjud määravaks: ruumi‑aeg ise võib muutuda kvantstatistiliseks, tekivad tugevad kõikumised ehk nn kvantvahu („quantum foam”). Seetõttu ei saa me ilma kvantgravitatsiooni teooriata kindlalt väita, mis toimus või isegi kas mõtestatav „algus” üldse eksisteeris tänapäevases mõistes.

Teoreetilised mudelid ja võimalused

On mitmeid ettepanekuid, kuidas Plancki ajastu ja sellest väljumine võis toimuda. Mõned peamised suunad on:

• Stringiteooria ja sellega seotud ideed, kus elementaarosakesed on ülivahed ja ruumi‑aeg võib omada täiendavat struktuuri või sümmeetriaid;
• Loop-quantum-gravity (silmuskvantgravitatsioon), mis prognoosib ruumi‑aja diskreetset struktuuri ja võib välistada klassikalise singulaarsuse (võimalik „põrgata tagasi” ehk bounce);
• Mõtted nagu Hartle–Hawkingi „no-boundary” hüpotees või asümptootiline ohutuse (asymptotic safety) stsenaariumid, mis püüavad pakkuda hästi määratletud kvantkirjeldust kõrgetel energiates;
• muu dynaamiline ruum‑aja lähendused (nt causaalse dünaamilise triangulatsiooni meetodid), mis uurivad, kuidas ruum‑aja struktuur võib tekkida lihtsatest kvantkomponentidest.

Kuidas seda uurida praktiliselt?

Otsekohene eksperimentaalne ligipääs Plancki ajastule on võimatu — vajalikud energiad on trillioneid kordi suuremad kui tänaste partikliidetajate võimsus. Seetõttu tuginevad teadlased kaudsetele jälgedele: võimalikele imprintidele kosmilises mikrolaine taustkiirguses (CMB), primordiaalsetele gravitatsioonilainetele, suurekskaalalisele struktuurile või uutele mustritele osakeste füüsikas, mis annavad vihjeid unifitseerimise ja kvantgravitatsiooni mudeleid toetavatele mehhanismidele.

Miks Plancki ajastu on oluline

Plancki ajastu piirab meie mõistmist universumi algstaadiumitest ja tähistab punkti, kus teemad nagu jõudude unifitseerumine, kvantgravitatsioon ja ruumi‑aja päritolu kohtuvad. Mõistmine, mis juhtus või kuidas kirjeldada tingimusi Plancki skaalal, on üks kaasaegse teoreetilise füüsika suurimaid väljakutseid — lahendus annaks vastused mitte ainult universumi „alguse” kohta, vaid ka fundamentaalsete füüsikaseaduste ühtlustamise kohta.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Plancki ajastu?

K: Mis on Plancki skaala?

K: Millised olid mõned füüsikalised suurused Plancki ajastu ajal?

K: Milline oli universumi seisund Plancki ajastu ajal?

K: Milline on traditsioonilise Suure Paugu kosmoloogia ennustus Plancki ajastu kohta?

K: Mis domineeris kosmoloogias ja füüsikas Plancki ajastul?

K: Mis juhtus pärast Plancki ajastut?

Otsing