Планковский размер

[fizeg]

Munin
Думаю того сравнения все-таки достаточно для того, чтобы почувствовать утверждение "Планковская длина офигеть какая маленькая"

Munin в сообщении #806174 писал(а):

На PDGlive в разделе search for fermion compositeness даны оценки. Они как раз этого порядка, и что печально, несколько десятилетий не меняются. Были получены на LEP, кажется. Может, LHC их продвинет чуть-чуть, когда выйдет на полную энергию.

Ну все дело-то в том, что LEP электрон-позитронный был, а в LHC протоны сталкивают...

Munin в сообщении #806182 писал(а):

если не считать бран.

А без бран сейчас она и не обходится. Но название чаще всего используют старое.

[Munin]

Шкалы размеров "вглубь":

В промежутке от обычных размеров (человек - 1 метр) до атомов (1 ангстрем - 1e-10 метра) ориентиров мало. Часто приводят всяких дафний и бактерий, но тут всё расплывчато, потому что сами микроорганизмы сильно отличаются по размерам - не меньше, чем мыши от китов. Но можно прикинуть так:
1 мм - это мы и увидеть можем, каждый знаком со школьной линейкой.
0,1 мм - это толщина листа бумаги.
1 мкм (0,001 мм) - это типичные размеры транзисторов на микросхемах лет 20 назад (а в России - и посейчас). Примерно такого же порядка - длина волны видимого света (0,4 - 0,7 мкм). Это мы спустились уже до 1e-6 метра.
1 Å (ангстрем) = 1e-10 метра - это ещё в 10 000 раз меньше. Это типичные размеры атомов. Одни атомы побольше, другие поменьше, но все одного порядка, на всю таблицу Менделеева.
1 фм (фемтометр, старое название ферми) = 1e-15 метра - это типичные размеры атомного ядра и протона или нейтрона. Объёмы ядер пропорциональны количеству протонов и нейтронов в них, то есть нуклоны ведут себя просто как шарики :-) Но даже самые большие ядра - не более чем в 10 раз шире одного нуклона.
1e-18 метра - радиус слабого взаимодействия. Можно считать, что на этом масштабе каждый кварк и электрон "одевается шубой" виртуальных $W,Z$-бозонов, электронов, кварков и нейтрино. Да, да, и нейтрино. На таких масштабах и нейтрино становятся достаточно сильно взаимодействующими.

Всё, глубже современная наука не проникла. Доходят до 1e-20 метра, чтобы только выяснить, что на этом уровне ничего нового нет.

До 1e-35 метра ещё целых 15 порядков. Возможно, это "пустыня" - ничего нового.

[alina-nikonenko]

Munin в сообщении #806186 писал(а):

И с этими пунктами у всех упомянутых теорий полный швах.

То есть про эти масштабы ничего не известно.

[Munin]

fizeg в сообщении #806192 писал(а):

Ну все дело-то в том, что LEP электрон-позитронный был, а в LHC протоны сталкивают...

Почитайте указанный раздел - там ограничения на лептоны чуть лучше, чем на кварки. Я думаю, дело в том, что при таких столкновениях лептоны и кварки с одинаковой частотой лезут, ведь виртуальному фотону или $W$-бозону всё равно на что распадаться. Но может быть, там результаты не только с LEP, но и, скажем, с SPS (SppS). Всё равно, старые, но непревзойдённые результаты.

fizeg в сообщении #806192 писал(а):

А без бран сейчас она и не обходится.

Не знал.

-- 25.12.2013 23:50:58 --

alina-nikonenko в сообщении #806200 писал(а):

То есть про эти масштабы ничего не известно.

Ну да. Но зато нам очень многое известно о том, как и почему нам ничего не известно :-) И даже, что могло бы быть известно, если бы могло бы быть известно :-)

[alina-nikonenko]

Munin в сообщении #806198 писал(а):

Возможно, это "пустыня" - ничего нового.

То есть и такое возможно?

-- 25.12.2013, 23:56 --

Munin в сообщении #806201 писал(а):

И даже, что могло бы быть известно, если бы могло бы быть известно

Вот это очень интересно. Если Вас не затруднит, конечно.

[arseniiv]

alina-nikonenko в сообщении #806203 писал(а):

То есть и такое возможно?

Ну не обязательно же в природе должны быть длинные цепочки короткодействующих взаимодействий, начинающих играть роль на всё более мелких порядках расстояния. И четыре в некотором смысле — много.

Хотя я лучше продолжу читать.

[Munin]

Шкалы размеров "вверх":

Ну, что такое километр (1e3 метров), мы все себе хорошо представляем. Километр можно увидеть на ровной дороге - он ближе горизонта (около 5 км). Диаметр Москвы - 30 км.

Следующая ступенька, хоть и всего в 30 раз больше, уже видна на карте. 1000 км (1e6 метров) - это примерно длина Италии ("сапога").

Ещё в 40 раз больше - окружность Земного шара, а диаметр Земли - 12 тыс. км.

Увеличивая масштаб ещё в 100 раз, мы приходим к диаметру Солнца - 1,4 млн км. Это масштабы 1e9 метров.

Угловой диаметр Солнца при взгляде с Земли - половина углового градуса, то есть около одной сотой радиана. Отсюда моментально получается довольно точная оценка астрономической единицы - 100 диаметров Солнца. Так и есть.
1 а. е. = 150 млн км, то есть мы дошли до порядка 1e11 метров. Дальше удобно будет всё мерять в а. е.

Диаметр орбиты Нептуна - 40 а. е. Дальше начинается Пояс Койпера, порядка 100 а. е. (он размытый). Самые дальние афелии орбит обнаруженных астрономами объектов Солнечной системы - на расстояниях порядка 1000 а. е. (Седна и кометы). Считается, что там уже расположена внутренняя граница Облака Оорта.

На расстояниях 50 - 125 тыс. а. е. заканчивается Облако Оорта, и заканчивается сфера притяжения Солнца (по сравнению с соседними звёздами и общегалактической гравитацией). Ближайшая звезда - около 250 тыс. а. е. = 4 св. года = 1 с мелочью парсек (пк). Дальше всё удобно мерять в световых годах или парсеках. В астрономии используется то одно, то другое, я всё сведу к световым годам. 1 св. год = 1e16 метров.

Как видите, мы поднялись едва на те же 15 порядков, но здесь шкала гораздо насыщеннее. Дальше тоже будет много ступеней, поэтому сделаю перерыв.

-- 26.12.2013 00:34:48 --

alina-nikonenko в сообщении #806203 писал(а):

То есть и такое возможно?

Да, и такое возможно. И это очень пугает физиков элементарных частиц - они останутся без работы :-) Все силы ускорителя LHC и ряда других экспериментов брошены на то, чтобы найти "новую физику", которая - если она действительно есть - будет там вместо "пустыни". Ищут малейшие неточности и несовпадения в разных параметрах.

В конце 19 века ситуация, анекдотичным образом, выглядела наоборот: физики были удовлетворены завершённостью классической физики, а "облачка на горизонте" их раздражали. Известно, что всего через несколько десятилетий они обернулись квантовой физикой и специальной теорией относительности, величайшими открытиями и направлениями прогресса.

[alina-nikonenko]

Munin в сообщении #806218 писал(а):

Как видите, мы поднялись едва на те же 15 порядков, но здесь шкала гораздо насыщеннее. Дальше тоже будет много ступеней, поэтому сделаю перерыв.

Наглядно. Но если взять 1 метр и посмотреть число порядков "вниз" и "вверх", то число порядков "вверх" до граница наблюдаемой вселенной будет меньше, чем число порядков "вниз"-до планковского размера.

Вот говорят, что на этих масштабах может существовать некая "квантовая пена", состоящая из постоянно рождающихся и исчезающих виртуальных частиц. А что, эти частицы не больше планковских размеров?

И еще: каков размер у фотона?

-- 26.12.2013, 00:38 --

Munin в сообщении #806218 писал(а):

Да, и такое возможно. И это очень пугает физиков элементарных частиц - они останутся без работы Все силы ускорителя LHC и ряда других экспериментов брошены на то, чтобы найти "новую физику", которая - если она действительно есть - будет там вместо "пустыни". Ищут малейшие неточности и несовпадения в разных параметрах.

Но если там ничего нет, то как вдруг на некоем масштабе появились элементарные частицы? Ведь у них тоже должна быть структура, основа и т.д.

[Sergey K]

Цитата:

Но если там ничего нет, то как вдруг на некоем масштабе появились элементарные частицы? Ведь у них тоже должна быть структура, основа и т.д.

а что, конца у них где-то быть не может? и даже структура тех же нуклонов - те же три кварка и глюоны их склеивающие - это не та структура, что у кирпича. кирпич состоит из молекул, его можно раздробить. А нуклоны содержат в своем составе кварки, но их не вытащить. собственно, я бы и слова структура тут применять не стал.

[Munin]

alina-nikonenko в сообщении #806219 писал(а):

Вот говорят, что на этих масштабах может существовать некая "квантовая пена", состоящая из постоянно рождающихся и исчезающих виртуальных частиц. А что, эти частицы не больше планковских размеров?

По квантовой теории поля - частицы точечные. То есть вообще размер 0. Это не считая "шубы", которая, конечно, у всех частиц есть, но в обсуждаемом смысле размером частицы не считается (кроме названного размера нуклона, который не является истинно элементарной частицей, а внутри него сидят несколько кварков, и глюонами поигрывают).

Но квантовая теория поля - теория, которая хорошо работает на тех масштабах, которые мы "прощупали" в экспериментах. Что дальше будет - неизвестно. Один из вариантов - теория струн. И по теории струнк, каждая частица - это такая короткая линия. Или петелька. Или даже пузырёк. И вот размеры этой линии-петельки оказываются как раз того же порядка, что и размеры "пузырей квантовой пены".

Что касается того, что мы надёжно знаем, то мы надёжно знаем верхние границы размеров частиц. Мы не можем экспериментом определить, точечная частица или не точечная - мы можем только измерить её, и сказать, что она, скажем, меньше 0,01 аттометра. А ещё точнее измерить мы не можем - точности наших инструментов не хватает. К нулю наши линейки вплотную не подходят. Такие экспериментальные верхние границы на все известные истинно элементарные (иначе говорят, фундаментальные) частицы одинаковы: и на электроны, и на фотоны, и на кварки. И все они около 0,01 аттометра - 1e-20 метра.

Отдельно надо сказать про "квантовую пену, состоящую из постоянно рождающихся и исчезающих виртуальных частиц". Дело в том, что здесь смешаны две вещи. Постоянно рождающиеся и исчезающие виртуальные частицы - это обыкновенный физический вакуум. Он давно и хорошо исследован, он виден уже на масштабах меньше атома, но больше атомного ядра: на масштабах порядка "классического радиуса электрона" (это традиционное название ещё более неудачное и бессмысленное, чем "скорость света", но общепринято) - 2,8 фм. Измерение первого эффекта, связанного с физическим вакуумом, было сделано в 1947 году - это эффект Лэмба, сверхтонкое расщепление спектральных уровней в атоме водорода. Часто про такой процесс рождающихся и исчезающих виртуальных частиц говорят как про "квантовый суп", особенно когда он "подогрет" и более интенсивен - например, на начальных стадиях Большого Взрыва.

А "квантовая пена" - это нечто на совсем другом уровне. В этом понятии подразумевается, что постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные флуктуации пространства-времени (или, если хотите, гравитоны - частицы гравитационного взаимодействия). Вот в этом случае само пространство-время становится не ровным, а изрытым "пузырями", "ручками", виртуальными чёрными дырами и тому подобными неоднородностями, которые и получили название "квантовой пены". В другом понимании этого слова, пространство-время оказывается не непрерывным, как вода, а состоящим из "стенок между пузырьками пены", которая только с более крупных масштабов выглядит непрерывной.

alina-nikonenko в сообщении #806219 писал(а):

И еще: каков размер у фотона?

Заодно ответил выше и на этот вопрос.

alina-nikonenko в сообщении #806219 писал(а):

Но если там ничего нет, то как вдруг на некоем масштабе появились элементарные частицы? Ведь у них тоже должна быть структура, основа и т.д.

Нет, "структура, основа" - это предрассудки. Увы, очень распространённые. Но ненаучные. Структура элементарной частицы - это просто точка. И появилась она не на каком-то масштабе - а существует на всех масштабах до самого нуля.

По крайней мере, именно такое рассмотрение элементарной частицы как точки - полностью подтверждено экспериментами, и встречает меньше всего трудностей при теоретическом рассмотрении. Попытки избавиться от некоторых трудностей ведут в болото трудностей большего размера, пока что. И все эти попытки - чистые домыслы, с экспериментами никак не связанные.

[Munin]

Шкалы размеров "вверх", часть 2:

Итак, мы вышли за пределы Солнечной системы, и добрались до ближайших звёзд, уже дважды сменив единицу измерения длины. Дальше менять не будем.

Ближайшие звёзды, как я уже говорил, на расстоянии около 4 св. лет. Примерно такого порядка плотность звёзд во всём ближайшем окружении. Куда движутся звёзды - это более-менее известно, но о газовой составляющей межзвёздных окрестностей Солнца известно очень мало. Поэтому, без особо интересных структур, перейдём к

Диску Галактики (Milky Way). Солнце находится в глубине толщи диска, на неизвестном, но довольно небольшом расстоянии от его средней плоскости. Толщина диска Галактики (в районе Солнца) - около 1 тыс. св. лет = 1e19 метров. Примерно того же порядка ширина нашего рукава Галактики - рукава Ориона (Orion arm) - 3,5 тыс. св. лет. Длина же этого рукава (не главного в Галактике, а ответвляющегося от другого рукава) - порядка 10 тыс. св. лет = 1e20 метров.

Расстояние от Солнца до центра Галактики - около 27 тыс. св. лет. Диаметр же диска Галактики известен плохо, несколько раз переоценивался (оценки росли), и сейчас считается около 100 тыс. св. лет = 1e21 метров.

Надо понимать, что все эти указанные размеры: толщина и диаметр диска Галактики, как и другие последующие - имеют смысл "характерных размеров". Реально Галактика не имеет чётких границ, а образует размытое распределение плотности звёзд, спадающее по краям, и речь идёт об оценке ширины этого распределения.

Пропуская всякую мелочёвку, перейдём к нашему ближайшему крупному соседу - галактике Андромеды (M31). Она на небе крупнее Солнца (3°), и имея размеры порядка нашей Галактики, находится от нас примерно на 2,5 млн св. лет - это порядок расстояний 1e22 метров. Вместа наша Галактика и Андромеда (плюс Треугольник M33 и мелочёвка) образуют Местную Группу (Local Group), в целом охватывая около 10 млн св. лет = 1e23 метров.

На расстоянии около 50-65 млн св. лет от нас лежит Скопление Девы (Virgo Cluster), размером тоже порядка 8-10 млн св. лет, и все вместе (Местная Группа, Скопление Девы и ещё порядка 100 групп и скоплений) они образуют Сверхскопление Девы (Virgo Supercluster). Диаметр его оценивается в 110 млн св. лет - мы вышли ещё на порядок выше, до 1e24 метров.

Дальше вокруг ещё много интересных окрестностей: Великий Аттрактор (Great Attractor), Великая Стена (Great Wall), Южная Стена (Southern Wall) - замечательно описанных в http://irfu.cea.fr/cosmography Cosmography of the Local Universe. Эта картинка охватывает 600 млн св. лет.

За её пределами ещё более крупные структуры, о которых, однако, надо знать, что все они выделяются всё слабее и слабее на фоне равномерного распределения скоплений и сверхскоплений в пространстве. Это, например:
Комплекс сверхскоплений Рыб - Кита (Pisces-Cetus Supercluster Complex) - 1 млрд св. лет в длину
Слоановская Великая Стена (Sloan Great Wall) - 1,3 млрд св. лет в длину
Huge-LQG (гигантская группа квазаров) - 4 млрд св. лет в поперечнике
Великая Стена Геркулес - Северная Корона - 10 млрд св. лет в длину

И наконец, вся наблюдаемая Вселенная имеет диаметр 93 млрд св. лет.

[aklimets]

Munin в сообщении #806265 писал(а):

И наконец, вся наблюдаемая Вселенная имеет диаметр 93 млрд св. лет.

А разве не 13,7 млрд св. лет?

[spherical cow]

aklimets в сообщении #806380 писал(а):

Munin в сообщении #806265 писал(а):

И наконец, вся наблюдаемая Вселенная имеет диаметр 93 млрд св. лет.

А разве не 13,7 млрд св. лет?

13,7 млрд св. лет - это расстояние до самых далеких галактик в тот момент, когда они излучили свет, который к нам пришел. Но с того момента вселенная успела расшириться во много раз.

[Munin]

aklimets в сообщении #806380 писал(а):

А разве не 13,7 млрд св. лет?

Нет, это возраст.

http://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe#Misconceptions
http://www.astronet.ru/db/msg/1194831

-- 26.12.2013 16:06:31 --

spherical cow в сообщении #806382 писал(а):

13,7 млрд св. лет - это расстояние до самых далеких галактик в тот момент, когда они излучили свет, который к нам пришел.

Это тоже неверно. На самом деле, когда они излучали свет, они были ближе 13,7 млрд св. лет. Более того, излучённый ими свет некоторое время удалялся от нас, и только потом начал приближаться. См. по второй ссылке.