Odpowiedź na odwieczne pytanie o najmniejszą rzecz we wszechświecie ewoluowała wraz z ludzkością. Kiedyś ludzie myśleli, że ziarnka piasku są budulcem tego, co widzimy wokół nas. Potem odkryto atom, który uważano za niepodzielny, dopóki nie rozszczepiono go, by ujawnić protony, neutrony i elektrony w jego wnętrzu. Te również wydawały się fundamentalnymi cząstkami, zanim naukowcy odkryli, że protony i neutrony składają się z trzech kwarków każdy.

„Tym razem nie byliśmy w stanie dostrzec żadnych dowodów na to, że coś znajduje się wewnątrz kwarków”, powiedział fizyk Andy Parker. „Czy osiągnęliśmy najbardziej fundamentalną warstwę materii?”

I nawet jeśli kwarki i elektrony są niepodzielne, powiedział Parker, naukowcy nie wiedzą, czy są one najmniejszymi bitami materii w istnieniu, lub czy wszechświat zawiera obiekty, które są jeszcze bardziej minutowe.

Parker, profesor fizyki wysokich energii na angielskim Uniwersytecie w Cambridge, ostatnio był gospodarzem telewizyjnego programu specjalnego na brytyjskim kanale BBC Two o nazwie „Horizon: How Small is the Universe?”

Struny czy punkty?

W eksperymentach, teensy, maleńkie cząstki takie jak kwarki i elektrony wydają się działać jak pojedyncze punkty materii bez rozkładu przestrzennego. Ale obiekty podobne do punktów komplikują prawa fizyki. Ponieważ można się nieskończenie zbliżyć do punktu, siły działające na niego mogą stać się nieskończenie duże, a naukowcy nienawidzą nieskończoności.

Pomysł zwany teorią superstrun mógłby rozwiązać ten problem. Teoria ta zakłada, że wszystkie cząstki, zamiast być podobne do punktów, są w rzeczywistości małymi pętlami sznurka. Nic nie może zbliżyć się w nieskończoność do pętli sznurka, ponieważ zawsze będzie nieco bliżej jednej części niż drugiej. Ta „luka” wydaje się rozwiązywać niektóre z problemów związanych z nieskończonością, czyniąc ten pomysł atrakcyjnym dla fizyków. Jednak naukowcy wciąż nie mają eksperymentalnych dowodów na to, że teoria strun jest poprawna.

Innym sposobem rozwiązania problemu punktów jest stwierdzenie, że przestrzeń sama w sobie nie jest ciągła i gładka, ale w rzeczywistości składa się z dyskretnych pikseli lub ziaren, czasami nazywanych pianką czasoprzestrzenną. W takim przypadku dwie cząstki nie byłyby w stanie zbliżyć się do siebie w nieskończoność, ponieważ zawsze musiałyby być oddzielone od siebie minimalną wielkością ziarna przestrzeni.

Szczegóły

Innym pretendentem do tytułu najmniejszej rzeczy we wszechświecie jest osobliwość w centrum czarnej dziury. Czarne dziury powstają, gdy materia zostaje skondensowana w wystarczająco małej przestrzeni, by grawitacja przejęła nad nią kontrolę, powodując, że materia ciągnie do środka i do środka, ostatecznie kondensując się w pojedynczy punkt o nieskończonej gęstości. Przynajmniej według obecnych praw fizyki.

Ale większość ekspertów uważa, że czarne dziury nie są naprawdę nieskończenie gęste. Uważają oni, że ta nieskończoność jest produktem nieodłącznego konfliktu między dwiema panującymi teoriami – ogólną teorią względności i mechaniką kwantową – i że kiedy uda się sformułować teorię kwantowej grawitacji, prawdziwa natura czarnych dziur zostanie ujawniona.

„Moim zdaniem są one sporo mniejsze od kwarka, ale nie wierzę, że mają nieskończoną gęstość” – powiedział Parker w wywiadzie dla LiveScience. „Najprawdopodobniej są być może milion milionów razy lub nawet więcej mniejsze niż odległości, które widzieliśmy do tej pory.”

To sprawiłoby, że osobliwości byłyby mniej więcej wielkości superstrun, jeśli istnieją.

Długość Plancka

Superstruny, osobliwości, a nawet ziarna wszechświata mogłyby okazać się mniej więcej wielkości „długości Plancka”.

Długość Plancka to 1,6 x 10^-35 metra (liczba 16 poprzedzona 34 zerami i przecinkiem dziesiętnym) – niezrozumiale mała skala, która ma związek z różnymi aspektami fizyki.

Długość Plancka jest daleko i daleko za mała, aby jakikolwiek instrument mógł ją zmierzyć, ale poza tym uważa się, że reprezentuje ona teoretyczną granicę najkrótszej mierzalnej długości. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, żaden instrument nigdy nie powinien być w stanie zmierzyć niczego mniejszego, ponieważ w tym zakresie wszechświat jest probabilistyczny i nieokreślony.

Skala ta jest również uważana za linię demarkacyjną pomiędzy ogólną teorią względności a mechaniką kwantową.

„Odpowiada ona odległości, w której pole grawitacyjne jest tak silne, że może zacząć robić rzeczy takie jak tworzenie czarnych dziur z energii pola”, powiedział Parker. „Przy długości Plancka spodziewamy się, że kwantowa grawitacja przejmuje kontrolę.”

Prawdopodobnie wszystkie najmniejsze rzeczy we wszechświecie mają z grubsza rozmiar długości Plancka.

Śledź Clarę Moskowitz na Twitterze @ClaraMoskowitz lub LiveScience @livescience. Jesteśmy też na Facebooku & Google+.