Thuyết tương đối rộng, thuyết hấp dẫn của Einstein, cho chúng ta một cơ sở hữu ích để mô hình hóa toán học vũ trụ quy mô lớn - trong khi lý thuyết lượng tử cho chúng ta một cơ sở hữu ích để mô hình hóa vật lý hạt nhân nguyên tử và vật lý mật độ năng lượng cao, quy mô nhỏ vũ trụ sơ khai - nano giây sau Vụ nổ lớn - mà thuyết tương đối rộng chỉ mô hình như một điểm kỳ dị và không có gì khác để nói về vấn đề này.
Các lý thuyết trọng lực lượng tử có thể có nhiều điều để nói. Bằng cách mở rộng thuyết tương đối rộng thành một cấu trúc lượng tử trong không-thời gian, có lẽ chúng ta có thể thu hẹp khoảng cách giữa vật lý quy mô nhỏ và quy mô lớn. Ví dụ, có thuyết tương đối đặc biệt gấp đôi.
Với thuyết tương đối đặc biệt thông thường, hai khung tham chiếu quán tính khác nhau có thể đo tốc độ của cùng một đối tượng khác nhau. Vì vậy, nếu bạn đang ở trên một chuyến tàu và ném một quả bóng tennis về phía trước, bạn có thể đo nó di chuyển với tốc độ 10 km một giờ. Nhưng một người khác đang đứng trên sân ga xe lửa xem tàu của bạn đi qua với tốc độ 60 km một giờ, đo tốc độ của quả bóng ở mức 60 + 10 - tức là 70 km một giờ. Cho hoặc mất vài nanomet mỗi giây, cả hai bạn đều đúng.
Tuy nhiên, như Einstein đã chỉ ra, hãy thực hiện cùng một thí nghiệm khi bạn chiếu một chùm đèn pin, thay vì ném một quả bóng, tiến lên tàu - cả bạn trên tàu và người trên bục đều đo tốc độ của chùm đuốc là tốc độ ánh sáng - không có thêm 60 km một giờ - và cả hai bạn đều đúng.
Nó chỉ ra rằng đối với người trên nền tảng, các thành phần của tốc độ (khoảng cách và thời gian) được thay đổi trên tàu để khoảng cách được ký hợp đồng và thời gian giãn ra (tức là đồng hồ chậm hơn). Và bằng phép toán biến đổi Lorenz, những hiệu ứng này trở nên rõ ràng hơn nhanh hơn so với tàu hỏa. Nó cũng chỉ ra rằng khối lượng của các vật thể trên tàu cũng tăng lên - mặc dù, trước khi có ai hỏi, đoàn tàu có thể biến thành một lỗ đen ngay cả ở tốc độ 99.9999 (vv) của tốc độ ánh sáng.
Bây giờ, tính tương đối đặc biệt gấp đôi, đề xuất rằng không chỉ tốc độ ánh sáng luôn giống nhau bất kể khung tham chiếu của bạn, mà các đơn vị khối lượng và năng lượng của Planck cũng luôn giống nhau. Điều này có nghĩa là các hiệu ứng tương đối tính (như khối lượng dường như tăng trên tàu) không xảy ra ở thang đo Planck (tức là rất nhỏ) - mặc dù ở quy mô lớn hơn, tính tương đối đặc biệt gấp đôi sẽ mang lại kết quả không thể phân biệt với thuyết tương đối đặc biệt thông thường.
Thuyết tương đối đặc biệt đôi khi cũng có thể được khái quát theo lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử - khi được mở rộng từ thang Planck, sẽ mang lại kết quả không thể phân biệt với thuyết tương đối rộng.
Nó chỉ ra rằng ở thang đo Planck e = m, mặc dù ở quy mô vĩ mô e = mc2. Và ở thang đo Planck, khối lượng Planck là 2,17645 × 10-8 kg - được cho là khối lượng của trứng bọ chét - và có bán kính Schwarzschild có chiều dài Planck - có nghĩa là nếu bạn nén khối lượng này thành một khối nhỏ như vậy, nó sẽ trở thành một lỗ đen rất nhỏ chứa một đơn vị năng lượng Planck.
Nói cách khác, ở thang đo Planck, lực hấp dẫn trở thành một lực đáng kể trong vật lý lượng tử. Mặc dù thực sự, tất cả những gì chúng ta đang nói là có một đơn vị lực hấp dẫn Planck giữa hai khối lượng Planck khi cách nhau bởi một chiều dài Planck - và nhân tiện, độ dài Planck là khoảng cách ánh sáng di chuyển trong một đơn vị thời gian Planck!
Và vì một đơn vị năng lượng Planck (1,22 × 1019 GeV) được coi là năng lượng tối đa của các hạt - thật hấp dẫn khi xem xét rằng điều này thể hiện các điều kiện được mong đợi trong kỷ nguyên Planck, là giai đoạn đầu tiên của Vụ nổ lớn.
Tất cả nghe có vẻ cực kỳ thú vị, nhưng dòng suy nghĩ này đã bị chỉ trích là chỉ là một mẹo để làm cho toán học hoạt động tốt hơn, bằng cách loại bỏ thông tin quan trọng về các hệ thống vật lý đang được xem xét. Bạn cũng có nguy cơ làm suy yếu các nguyên tắc cơ bản của thuyết tương đối thông thường, vì bài báo dưới đây phác thảo, độ dài Planck có thể được coi là hằng số bất biến độc lập với khung tham chiếu của người quan sát trong khi tốc độ ánh sáng trở nên thay đổi ở mật độ năng lượng rất cao.
Tuy nhiên, vì ngay cả Máy Va chạm Hadron Lớn dự kiến sẽ không cung cấp bằng chứng trực tiếp về những gì có thể hoặc không thể xảy ra ở thang đo Planck - hiện tại, làm cho công việc toán học tốt hơn dường như là cách tốt nhất về phía trước.
Đọc thêm: Zhang và cộng sự. Nhiệt động học khí Photon trong thuyết tương đối đặc biệt gấp đôi.
