宇宙中存在一个最小的距离尺度吗?

来源:返朴    ID:fanpu2019

当我们考虑时空的概念时,我们通常将空间想象成三维的网格,这无疑是一种过度简化的框架。但时空到底是离散还是连续的呢?是否存在一个最小的可能长度呢?

100多年前,物理学家普朗克(Max Planck)提出,引力常数G、普朗克常量ħ、真空中的光速 c 这三个常数可以组合得到普朗克长度。一旦超越普朗克长度的极限,我们现有的物理学定律都将失效。而量子引力理论则试图在普朗克尺度附近,将广义相对论与量子力学结合起来,从而准确地描述我们所在的宇宙。

如果要想了解宇宙是如何运作的,我们就必须从基本层面来进行研究。因为宏观物体是由粒子组成的,而粒子只能在亚原子尺度上进行探测。为了研究宇宙的属性,我们必须在尽可能小的尺度上观察最小的构件。只有了解了它们在基本层面上的性质,我们才有可能了解它们如何组合起来创造出我们所熟悉的人类尺度的宇宙。

但是我们对小尺度宇宙的认识不能延伸到任意小的距离尺度。一旦小于10的负35次方米,即普朗克距离尺度,那么传统的物理定律就不再有意义。但为什么一旦小于某个长度范围,我们就不能给出任何有物理意义的结论呢?下面我们将回答这个问题。

我们通常将空间想象成三维网格,当我们考虑时空的概念时,这是一个过度简化的基础框架。时空是离散还是连续的,以及是否存在最小的可能长度,这些问题仍然没有答案。我们只知道,一旦小于普朗克距离尺度,我们将无法准确预测任何事情。| 图片来源:ReunMedia / Storyblocks

我们可以思考一下量子物理学的一个经典问题:盒子里的粒子问题。随意想象一个粒子,想象它以某种方式被禁锢在一个小空间里。在这个量子版本的躲猫猫游戏中,我们要问一个最基本的问题:“这个粒子在哪里?”

你可以通过测量确定粒子的位置,测量会给你一个答案。但是这个测量存在固有的不确定性,这种不确定性是由量子效应造成的。那么,这种不确定性有多大呢?答案是,它和ħ和L都有关,其中ħ是普朗克常量, L是盒子的大小。

在我们进行的大多数实验中,与我们实际能够测量的任何距离尺度比起来,普朗克常量都很小,因此,当我们分析结果时,与ħ和L都有关的这种固有的不确定性是很小的。

但是如果 L 很小呢?如果 L 与 ħ 的大小相当,甚至更小呢?

这正是问题开始出现的地方。这时需要进行的量子修正并不仅仅是在主要的经典效应之外出现了 ~ħ 阶的量子修正,而是还有各阶的修正:~ħ,~ħ2,~ħ3,等等。存在一个特定的长度,我们称之为

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