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/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / math / 10382 < prev    next >
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Text File  |  1992-08-18  |  6.4 KB  |  149 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!snorkelwacker.mit.edu!galois!riesz!jbaez
  3. From: jbaez@riesz.mit.edu (John C. Baez)
  4. Subject: Length scales in physics 4 - the Planck length
  5. Message-ID: <1992Aug18.222608.501@galois.mit.edu>
  6. Sender: news@galois.mit.edu
  7. Nntp-Posting-Host: riesz
  8. Organization: MIT Department of Mathematics, Cambridge, MA
  9. Date: Tue, 18 Aug 92 22:26:08 GMT
  10. Lines: 137
  11.  
  12.  
  13. Now for one final length scale - still smaller.  This is the length
  14. scale at which quantum gravity should become important - the Planck
  15. length l.   On the scale of the Planck length, it's possible that the
  16. structure of spacetime becomes quite different from the
  17. four-dimensional manifold we know and love. Spacetime itself becomes a
  18. foam (according to Wheeler) or a bucket of dust (according to Wheeler)
  19. or a bubbling sea of virtual black holes (according to Hawking) or a
  20. weave of knots or tangles (according to Ashtekar, Rovelli, and
  21. Smolin).  In short, it's weird, but beyond that nobody really knows. 
  22. To be more precise, the Planck length is the length scale at which
  23. quantum mechanics, gravity and relativity all interact very strongly.
  24. Thus it depends on hbar, c, and Newton's gravitational constant G. 
  25. These have dimensions  
  26.  
  27. hbar = ML^2/T
  28. c = L/T
  29. G = force distance^2/mass^2 = (ML/T^2) L^2/M^2 = L^3/MT^2
  30.  
  31. so to get a length we have to use
  32.  
  33. l = (hbar G/c^3)^{1/2},
  34.  
  35. This makes some sense because the bigger hbar is, the more "quantum"
  36. the universe is, so the bigger the length is at which quantum gravity
  37. matters.  Also, the bigger G is, the stronger gravity is, so the
  38. bigger the length is at which quantum gravity matters.  The bigger c
  39. is, the less "relativistic" the universe is, so the smaller the Planck
  40. length is.  Of course, Planck's constant and the gravitational
  41. constant are actually very SMALL, so the Planck length is really
  42. small.  I don't have a calculator on hand but I seem to recall that
  43. the Planck length is about 10^{-33} meters.  This is WAY smaller than
  44. the length scales I was talking about before - RIDICULOUSLY smaller. 
  45. That's why we haven't seen any (obvious) signs of quantum gravity
  46. effects, and why it will be so hard to do any quantum gravity experiments.  
  47.  
  48. Note that in all the previous three examples a length scale was proportional
  49. on the inverse of a mass - in particular, the electron mass.  The
  50. Planck length is peculiar in that it does not depend on a mass in this
  51. way.  Of course, it depends on the gravitational constant, which has a
  52. lot to do with mass!  In fact, the combination of gravity, relativity
  53. and quantum mechanics sets a mass scale - the Planck mass - as well as
  54. a length scale.  The Planck mass is huge (by particle physics standards) so the
  55. Planck length is puny.
  56.  
  57. A rough way of understanding the Planck length is as follows.  
  58. Every mass determines a Schwarzschild radius - that is,
  59. the radius of the event horizon of a black hole having that mass.  Now
  60. this is curious, in that I've been saying repeatedly  that a mass
  61. scale sets an inverse length scale, but the radius of a black hole
  62. isproportional* to its mass.  Of course, this is dimensionally possible 
  63. in that the gravitational constant involves units of mass.   
  64. We'll work out the Schwarzschild radius of a given mass in a minute. 
  65. But also every mass determines a Compton wavelength, as I explained earlier:
  66.  
  67. L_{compton} = hbar/mc                        1)
  68.  
  69. We can then work out how big a black hole we need for its Compton
  70. wavelength to equal its Schwarzschild radius!  This sort of black hole
  71. will have mass about equal to the Planck mass, and radius about equal
  72. to the Planck length.  
  73.  
  74. What does this mean?  Well, remember that the Compton wavelength of a
  75. particle is the length scale at which quantum field theory becomes
  76. very important in describing it.  So the Planck length is the size of
  77. a black hole for which quantum field theory becomes very important. 
  78. Hawking has predicted that black holes of any size emit radiation due to
  79. quantum-field-theoretic effects - the bigger the black hole, the less
  80. radiation.  His calculations treat the black hole classically and only
  81. use quantum field theory in treating the electromagnetic radiation. 
  82. For a black hole about as big as the Planck length one would expect
  83. this approximation to break down drastically.  
  84.  
  85. To be picturesque, we can say that if we have a black hole about the
  86. size of the Planck length, and we try to locate it to an accuracy
  87. equal to its radius, the Heisenberg uncertainty principle makes the
  88. the momentum of the black hole so poorly known that there may be
  89. enough energy around to create another black hole of that size!  I
  90. warn the reader to take this with a massive grain of salt, since there
  91. is no good theory of this sort of thing yet - much less any
  92. experimental evidence.  But people have sharpened this sort of
  93. thought experiment and seen that things get awfully funny at the Planck
  94. length.  By analogy with particle physics, one might expect processes
  95. involving virtual black holes to be very important at this length
  96. scale.  Hawking and others have written interesting but papers on
  97. reactions induced by virtual black holes... but I would not take
  98. their predictions too seriously yet.
  99.  
  100. Okay - let's start with Newtonian gravity:
  101.  
  102. force = -Gm_1m_2/r^2
  103.  
  104. and remember that we can write the potential energy as
  105.  
  106. V = -Gm_1m_2/r
  107.  
  108. Now let's say we have a little particle with mass m_2 in the field of
  109. a big thing with mass m_1, and let's compute its escape velocity. 
  110. That's the velocity for which its kinetic energy plus the potential
  111. energy above is zero, i.e.:
  112.  
  113. m_2v^2/2 = Gm_1m_2/r
  114.  
  115. Calling m_1 simply m, we get
  116.  
  117. v = (2Gm/r)^{1/2}
  118.  
  119. Black holes were in fact predicted before general relativity simply by
  120. noting that the escape velocity can become larger than c, so that
  121. light cannot escape!  Since we are being deliberately sloppy in these
  122. articles, let's use that idea to guess the Schwarzschild radius of a
  123. black hole of mass m.  We get
  124.  
  125. c = (2Gm/r)^{1/2}
  126.  
  127. or 
  128.  
  129. r = 2Gm/c^2                            2)
  130.  
  131. I don't have any books at hand at the moment, but I know this isn't
  132. too far off, assuming I did the algebra right.  I believe it's a bit
  133. too low, due the nonlinearity of general relativity.  It's just one of
  134. those constant factors that we are blithely ignoring here.  I'm shocked 
  135. that even I kept the "2" around above!
  136.  
  137. Okay, so now set the Schwarzschild radius - 2) - equal to the Compton
  138. wavelength - 1) - and forget that darn "2", getting
  139.  
  140. m^2 = hbar c/G
  141.  
  142. for the Planck mass.  Plugging that into formula 1), we get
  143. the Planck length: 
  144.  
  145. l = (hbar G/c^3)^{1/2} 
  146.  
  147. as expected.
  148.  
  149.