Planckin aikakausi on maailmankaikkeuden historian varhaisin tunnettu ajanjakso, joka kattaa ajan nollasta noin 10⁻⁴³ sekuntiin eli Planckin aikaan (tₚ). Planckin aika on luonnonvakioista muodostettu luonnollinen aika‑yksikkö, joka määritellään perusvakiojen Newtonin gravitaatiovakion G, valonnopeuden c ja Planckin vakion ħ avulla. Numerisesti Planckin aika on noin 5,39·10⁻⁴⁴ sekuntia (yleisesti pyöristetään kertomaan, että kyseessä on ~10⁻⁴³–10⁻⁴⁴ s). Samassa mittakaavassa esiintyvät myös Planckin pituus (~1,616·10⁻³⁵ m), Planckin energia (~1,22·10¹⁹ GeV) ja Planckin lämpötila (~1,42·10³² K). Näitä kutsutaan yhteisesti Planckin yksiköiksi.

Planckin asteikko merkitsee fysikaalista rajaa, jonka yläpuolella nykyiset teoriat — erityisesti yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria — eivät enää anna luotettavia ennusteita. Tällä aikaskaalalla kaikki fysikaaliset suureet, kuten lämpötila ja energiadensiiteetit, olisivat Planckin yksiköiden suuruusluokassa, eli äärettömän suuria verrattuna myöhempiin kosmisiin arvoihin. Tällaisissa olosuhteissa hiukkaset, kentät ja itse aika‑avaruus saattavat käyttäytyä hyvin erilaisella, puhtaasti kvanttikenttätason tavalla.

Planckin aikakaudella maailmankaikkeuden olosuhteet olivat niin äärimmäiset, että edes subatomiset hiukkaset eivät voineet muodostua normaalisti, ja nykyisen fysiikan käsitys neljästä perusvoimasta ei päde sellaisenaan. Monet teoreetit olettavat, että tuolloin kaikki voimat — sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva ja heikko ydinvoima sekä gravitaatio — olivat yhdistyneinä yhdeksi yhtenäiseksi vuorovaikutukseksi. Käytännössä tämä tarkoittaa, että gravitaation kvanttiaspektit eivät ole enää häiritsevää pientä korjausta, vaan ne hallitsevat dynamiikkaa.

Perinteinen alkuräjähdyskosmologia, joka perustuu yleiseen suhteellisuusteoriaan, ennustaa syntymäkohdassa eli singulariteetissa äärettömiä tiheyksiä ja kaarevuuksia. Tämä ennuste on kuitenkin merkki siitä, että yleinen suhteellisuusteoria menettää pätevyyttään Planckin mittakaavassa, koska se jättää huomioimatta kvanttimekaniikan vaikutukset. Siksi tarvitaan teoria, joka yhdistää yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttiteorian — eli kvanttigravitaatio — jotta voidaan luotettavasti kuvata Planckin aikakauden tapahtumia.

Mitä kvanttigravitaatio yrittää selittää?

  • Kuinka avaruuden ja ajan rakenne käyttäytyy Planckin mittakaavassa: onko aika ja avaruus edelleen jatkuvaa vai kvantittunutta?
  • Poistuuko alkuräjähdysteorian singulariteetti ja korvaantuuko se jollain säännöllisellä tilalla, kuten "bounce" (paluupomppu) tai jollain topologisesti erilaisella ratkaisulla?
  • Kuinka gravitaatio yhtenäistyy muiden vuorovaikutusten kanssa, ja millainen oli fysiikan tilanne ennen kuin voimat eriytyivät?

Useita ehdotuksia kvanttigravitaation luonteesta on esitetty, mutta mikään niistä ei ole vielä vahvistettu koetellulla empiirisellä näytöllä. Tunnetuimpia lähestymistapoja ovat muun muassa:

  • Stringiteoria, jossa perushiukkaset ovat yhdenulotteisia jousia ja gravitaatio syntyy värähtelystä, mahdollistaen tyypillisesti korkean asteen yhtenäistymisen ja lisäulottuvuuksia;
  • Loop-quantum gravity, jossa avaruuden geometria itse on kvantittunut ja joka tarjoaa mahdollisuuden singulaation korvaamiseen "bouncina";
  • muut reformulaatiot kuten asyymptottinen turvallisuus (asymptotic safety), kausaalinen dynamiikan triangulaatio (causal dynamical triangulations) ja muut kokeilevat lähestymistavat.

Planckin aikakauden jälkeen oletetaan seuranneen ns. suuren yhtenäistämisen (GUT, Grand Unification) aikakausi, jossa gravitaatio on eriytynyt tai erottunut muista voimoista ja muut kolme vuorovaikutusta saattoivat olla vielä yhtenäisiä. GUT‑taso sijoitetaan tyypillisesti energiaskaalaan noin 10¹⁶ GeV ja ajallisesti Planckin aikakauden jälkeen mutta ennen avaruuden laajenemista ja inflaation mahdollisesti alkua (yleensä mainitaan ajanjaksot kuten ~10⁻⁴³ s — 10⁻³⁶ s ennen inflaatiota, vaikka tarkan kronologian yksityiskohdat riippuvat mallista).

Mitä voimme havaita ja mikä on spekulatiivista? Planckin aikakausi on kaukana suoran havainnon mahdollisuudesta: nykyiset hiukkaskiihdyttimet ovat miljardeja kertoja alhaisemmilla energioilla kuin Planckin energia. Kuitenkin joistakin spekulatiivisista Planckin aikakauden ilmiöistä voi jäädä epäsuoria jälkiä, joita etsitään esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) anisotropioista, primordiaalisista gravitaatioaalloista tai kosmisen säteilyn harvinaisista ominaisuuksista. Näistäkin mahdolliset signaalit ovat vaikeasti erotettavissa ja tulkinta on malliriippuvaa.

Yhteenveto: Planckin aikakausi merkitsee fysikaalista rajaa, jossa sekä energia‑ että pituus‑ ja aika‑skaalat ovat niin pieniä ja suuria että nykyiset teoriat eivät riitä. Tämän ajanjakson ymmärtäminen vaatii toimivaa teoriaa kvanttigravitaatiosta ja parempia empiirisiä vihjeitä. Vaikka useita lupaavia teoreettisia suuntia on olemassa, niiden lopullinen todistus tai kumoaminen edellyttää uusia ideoita ja havaintoja, jotka voivat paljastaa mekanismit, joilla universumi sai alkunsa ja kuinka voimat eriytyivät nykyiseen muotoonsa.