A Planck-korszak a világegyetem történetének legkorábbi, elméleti értelemben vizsgált időszaka: a kezdeti pillanattól (t = 0) a Planck-időig. A Planck-időt jelöljük tₚ-vel, és nagyságrendileg 10⁻⁴³ másodperc-nek szokás megadni; pontosabban

  • tₚ = √(ħ G / c⁵) ≈ 5,39×10⁻⁴⁴ s,

így a Planck-korszakról gyakran azt mondjuk, hogy a világegyetem története a nullától nagyjából 10⁻⁴³–10⁻⁴⁴ s közötti időt foglalja magában.

Miért fontos a Planck-skála?

A Planck-skála az a méret- és energiaskála, ahol a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet együttes hatásai elkerülhetetlenné válnak. Ebben a tartományban a megszokott fizikai elméletek — amelyek vagy csak a kvantumjelenségeket (pl. a részecskefizika Standard Modellje), vagy csak a gravitációt (Az általános relativitáselmélet) írják le jól — már nem adnak megbízható választ önmagukban. Emiatt a Planck-korszakot tekintjük annak a tartománynak, ahol szükség van egy kvantumgravitációs elméletre.

Fizikai körülmények a Planck-korszakban

Ebben az időszakban minden jellemző mennyiség hatalmas volt a hétköznapi értelemben vett értékekhez képest:

  • Planck-hossz: ℓₚ = √(ħ G / c³) ≈ 1,62×10⁻³⁵ m;
  • Planck-massza: mₚ = √(ħ c / G) ≈ 2,18×10⁻⁸ kg (nagyon nagy energia-skála részecske-szemlélettel);
  • Planck-hőmérséklet: Tₚ ≈ 1,42×10³² K;
  • az energiák és sűrűségek a Planck-egységek rendjébe estek.

Az ilyen extrém körülmények mellett a részecskék egyszerű fogalma — mint stabil, jól meghatározott kvázirészecskék — értelmét veszítheti, és a négy alapvető kölcsönhatás (erős, gyenge, elektromágneses és a gravitáció) valószínűleg egyesült formában viselkedett. A cikk elején olvasható megfogalmazással élve: ezen a skálán a fizika szabályai olyan mértékben összefonódnak, hogy csak egy olyan elmélet írhatná le az eseményeket, amely egyszerre kezeli a kvantumjelenségeket és a gravitációt.

A Planck-korszak és az ősrobbanás-szingularitás

A klasszikus ősrobbanás-modell az általános relativitáselméletre támaszkodva a kezdeti állapotban egy gravitációs szingularitást jósol — egy olyan pontot, ahol a sűrűség és a görbület végtelenné válik. Ugyanakkor az általános relativitáselmélet a Planck-skálán várhatóan már nem alkalmazható megbízhatóan, mivel a kvantumhatások itt dominálnak. Ezért a modern fizika szemlélete szerint a valódi kezdeti állapotot csak egy kvantumgravitációs elmélet adhatja meg, amely vagy eltünteti a szingularitást, vagy új fizikai képet ad (például kosmikus „bounce” — visszapattanás — modellekben).

Mi következik a Planck-korszak után?

A Planck-korszakot tipikusan a nagy egyesítési (grand unification) korszak követi, amikor a gravitáció kis mértékben „szétválik” az egyesített alaperőtől, és az univerzum tágulása, hűlése olyan szintekre jut, hogy a különféle kölcsönhatások elkülönülnek. A kozmológiai idővonal röviden:

  • t = 0 – tₚ: Planck-korszak (kvantumgravitáció domináns);
  • t ≈ 10⁻⁴³ – 10⁻³⁶ s: nagy egyesítési korszak (GUT-korszak), ahol az erők részleges egyesülése zajlik;
  • az ezt követő szakaszokban (infláció, részecske-szimmetria megtörések stb.) kialakulnak a mai anyag és sugárzás jellemzői.

Elméleti megközelítések és megfigyelési korlátok

Néhány fő irány, amely a Planck-korszak fizikáját próbálja leírni:

  • Stringelmélet: alapvető „húr” vagy magasabb dimenziós objektumok létezését feltételezve ad egységes keretet a részecske- és gravitációs jelenségek számára;
  • Hurok-kvantumgravitáció (loop quantum gravity): a tér szerkezetét diszkrét kvantumrendszerként modellezi, és egyes változatokban elkerülhetővé teszi a klasszikus szingularitást;
  • további kvantumgravitációs javaslatok és kvantum-kosmológiai modellek (pl. ekpirotikus/bounce modellek).

Fontos megjegyezni, hogy közvetlen kísérleti vagy megfigyelési hozzáférés a Planck-korszakhoz ma gyakorlatilag nincs: az energiaskálák messze túlmutatnak a jelenlegi részecskegyorsítók képességein. Mégis néhány lehetséges indirekt nyom létezik, amelyek információt hordozhatnak a korai univerzum eseményeiről:

  • az infláció során keletkező és a kozmikus háttérsugárzásban (CMB) megőrződő lehetséges jelek, például a primordiális gravitációs hullámok okozta B-módusú polarizáció;
  • speciális eloszlások a CMB hőmérsékleti és polarizációs anomáliáiban;
  • nagyenergiás asztrofizikai jelenségek és fekete lyukak vizsgálata, amelyek kvantumgravitációs következményekkel lehetnek kapcsolatosak.

Összefoglalás — miért izgalmas a Planck-korszak?

A Planck-korszak az a rejtett, legelső időszak, ahol a fizika jelenlegi alapelvei keverednek, és ahol a gravitáció kvantumos jellege elkerülhetetlenül fontos. A korszak megértése új, egyesített elmélethez vezethetne, amely egyszerre írja le a kvantummechanikát és a gravitációt, és választ adna azokra a legmélyebb kérdésekre, hogy hogyan kezdődött a világegyetem, mi volt a „kezdet”, és mi történik legvégső soron a tér és az idő szerkezetével. Jelenleg ezek a kérdések nyitottak, és a kutatás kombinálja az elméleti fejlesztést a kozmológiai és asztrofizikai megfigyelések keresztellenőrzésével.