物質(zhì)為何不能小于普朗克長(zhǎng)度

人類(lèi)這些年除了關(guān)注更深處宇宙的模樣，對(duì)于微觀世界的探索也不遺余力，畢竟微觀世界的規(guī)律才是這個(gè)宇宙的“根本”。當(dāng)然，想要徹底地剖析微觀世界還是比較困難的，首先就要對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分割。

微觀世界的構(gòu)想圖

而物質(zhì)是不能無(wú)限分割的，在量子力學(xué)當(dāng)中最小的尺寸被定為“普朗克長(zhǎng)度”。那么，為何物質(zhì)不能小于普朗克長(zhǎng)度呢？因?yàn)樵傩【褪橇硗獾氖澜缌恕?/p>

物質(zhì)的尺度示意圖

普朗克長(zhǎng)度是什么？

從普朗克長(zhǎng)度的命名來(lái)看，它肯定和普朗克有著密切的關(guān)系，這位德國(guó)物理學(xué)家，是量子力學(xué)的重要?jiǎng)?chuàng)始人之一。

雖然在普通人眼中，愛(ài)因斯坦的名氣要更大一些，但是普朗克在物理學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)是毋庸置疑的。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，普朗克確實(shí)對(duì)物理愛(ài)得深沉，并且總是有著自己特殊的見(jiàn)解。

量子力學(xué)之父——馬克斯·普朗克

比如在上世紀(jì)初，普朗克發(fā)表了名為《關(guān)于正常光譜能量分布定律的理論》這標(biāo)志著量子理論建立，他指出物質(zhì)輻射或者吸收的能量并非連續(xù)的，而是如鐘表指針一般跳躍的，所以只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍，而這個(gè)最小的數(shù)值就叫做能量子。

因此，普朗克長(zhǎng)度一直到現(xiàn)在都是量子力學(xué)當(dāng)中最小的尺寸，它是由引力常數(shù)、光速、普朗克常數(shù)的相對(duì)值決定的。這個(gè)長(zhǎng)度大約為1.6×10^-33厘米，只有一個(gè)質(zhì)子直徑的10^22分之一。

尺度大小對(duì)比示意圖

最初提出普朗克長(zhǎng)度的就是普朗克本人，他希望可以建構(gòu)出一個(gè)新的測(cè)量系統(tǒng)，而這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)依靠的自然單位正是在普朗克質(zhì)量、普朗克時(shí)間和普朗克長(zhǎng)度上。

值得一提的是，人類(lèi)迄今為止找到的物質(zhì)的最小級(jí)別是夸克，夸克預(yù)計(jì)不會(huì)超過(guò)10^18米，而普朗克長(zhǎng)度還要比它更小，是理論上物質(zhì)最小的尺度。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖

那么，為什么科學(xué)家認(rèn)為普朗克長(zhǎng)度就是物質(zhì)的最小單位了呢？比普朗克長(zhǎng)度還小的物質(zhì)世界又是什么樣的？

物質(zhì)為何不能小于普朗克長(zhǎng)度？

首先大家需要明確一點(diǎn)，那就是物質(zhì)其實(shí)想再細(xì)分下去也是有辦法的，只不過(guò)這種做法并沒(méi)有意義，因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)小于普朗克長(zhǎng)度之后，我們所知道的物理規(guī)律都將失效。

換句話說(shuō)，普朗克長(zhǎng)度之下的那個(gè)物質(zhì)世界是一個(gè)“絕對(duì)未知”的地方，并且那里和我們所處的世界關(guān)系也不大，為什么這么說(shuō)呢？

沒(méi)人知道微觀世界之下的世界是什么模樣

因?yàn)樵谖覀兊恼J(rèn)知當(dāng)中，微觀世界的變化雖然很微小但是依舊可以影響到宏觀的世界，可是普朗克長(zhǎng)度之下的物質(zhì)世界，由于已經(jīng)不受傳統(tǒng)規(guī)則的限制了，所以那里和我們的世界是沒(méi)什么共通性的。

在這種情況下，我們硬要繼續(xù)將無(wú)知無(wú)限分割下去，其實(shí)是沒(méi)有任何意義的。更不用說(shuō)以人類(lèi)現(xiàn)在的觀測(cè)和測(cè)量水平來(lái)看，我們也找不到更小尺度的東西了。

我們生活在宏觀世界里

就像咱們?cè)谏衔闹刑岬降囊稽c(diǎn)，現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中人類(lèi)找到的最小尺度是夸克，而一直以來(lái)普朗克長(zhǎng)度只算是活在理論當(dāng)中的“最小單位”，我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中并未發(fā)現(xiàn)這么小的物質(zhì)。

除此之外，普朗克長(zhǎng)度也不是隨便就被定位最小單位的，因?yàn)楦鶕?jù)量子引力預(yù)測(cè)之下所會(huì)發(fā)生的物理時(shí)間來(lái)看，當(dāng)測(cè)量物體位置的精確度到了普朗克長(zhǎng)度以下，用于測(cè)量位置的光子就會(huì)失效，因?yàn)榇藭r(shí)黑洞已經(jīng)產(chǎn)生了。

黑洞的構(gòu)想圖

如果我們將廣義相對(duì)論和量子引力理論放在一起討論，就會(huì)發(fā)現(xiàn)低于普朗克長(zhǎng)度時(shí)，人類(lèi)傳統(tǒng)認(rèn)知當(dāng)中對(duì)時(shí)間和空間的概念都會(huì)被瓦解。

當(dāng)然，雖然許多人都認(rèn)可了這一限制，但是仍有人認(rèn)為，如果想找到宇宙的基本答案，人類(lèi)就必須探索普朗克長(zhǎng)度以下的世界。不過(guò)這種分割是非常困難的，起碼從現(xiàn)在的發(fā)展來(lái)看，是無(wú)法做到的。

宇宙的形成與物質(zhì)的示意圖

值得一提的是，普朗克本身想要?jiǎng)?chuàng)造的就是一個(gè)測(cè)量的體系，所以在普朗克尺度當(dāng)中當(dāng)然不可能只有普朗克長(zhǎng)度一個(gè)單位，它還包括普朗克時(shí)間、普朗克質(zhì)量。

普朗克尺度的建立

普朗克長(zhǎng)度為10^-33厘米，普朗克時(shí)間為10^43秒，從這些數(shù)值的大小就能看出，它們比人類(lèi)在現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中找到的“最小”還要小許多個(gè)數(shù)量級(jí)。

有人可能會(huì)說(shuō)，這之中怎么沒(méi)有普朗克質(zhì)量，這主要是因?yàn)槠绽士速|(zhì)量比常規(guī)的物質(zhì)要大，其質(zhì)量是10^-5克，比質(zhì)子要大多了。

質(zhì)子的半徑為0.84飛米

實(shí)際上，普朗克尺度的建立主要是為微觀世界的研究服務(wù)的，畢竟我們用一些大尺度的單位去研究那些“微小”的東西會(huì)顯得很困難。

就像當(dāng)人類(lèi)要描述地球和某些相隔較遠(yuǎn)的天體之間的距離一樣，哪怕是用千米，都要加上無(wú)數(shù)個(gè)零，看起來(lái)實(shí)在是太費(fèi)勁兒了。

用“光年”來(lái)表示更遠(yuǎn)的長(zhǎng)度

除此之外，物質(zhì)細(xì)分等級(jí)的問(wèn)題實(shí)際上是在大尺度之下引力太弱的原因，比如在原子核當(dāng)中質(zhì)子之間的引力非常的弱，這使得人們?cè)趯?shí)驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中往往會(huì)忽略這一問(wèn)題。

但是隨著科技的進(jìn)步，人們?cè)噲D將恒星或者行星的引力強(qiáng)度測(cè)量的更加精確，這樣的話難免就要關(guān)注到質(zhì)子之間的弱引力。在這種情況下，建立一個(gè)全新的尺度就尤為重要了。

質(zhì)能轉(zhuǎn)化的四種基本力

因此不論是否能理解普朗克尺度到底是由何計(jì)算而來(lái)，又是如何變成物理學(xué)當(dāng)中的最小尺度的。我們只需要明白它是人類(lèi)目前為止找到的最精確的描述了，不論是普朗克長(zhǎng)度還是普朗克時(shí)間。

以普朗克時(shí)間來(lái)說(shuō)，它就是宇宙當(dāng)中最短的“時(shí)刻”，它的限制代表著人類(lèi)無(wú)論如何探索都不能將已經(jīng)出現(xiàn)的黑洞徹底變成一個(gè)小點(diǎn)，且也無(wú)法找到宇宙大爆炸開(kāi)始的準(zhǔn)確時(shí)刻。

宇宙大爆炸示意圖

實(shí)際上，以這種角度來(lái)看，普朗克尺度何嘗不是一種限制呢？在這個(gè)限制之外，確實(shí)有著另外的世界，可是那里充滿了未知，并且即使深入研究，對(duì)于人類(lèi)看到的世界也沒(méi)有影響。

所以，普朗克尺度的存在，也可能是在提醒科學(xué)家不要陷入無(wú)線分割的泥潭當(dāng)中，只做有意義的研究就可以了。

不過(guò)在歷史上許多哲學(xué)家都堅(jiān)持物質(zhì)可以無(wú)限細(xì)分的理論，并且這一理論到現(xiàn)在依舊有不少人表示支持。

微觀世界的構(gòu)想圖

物質(zhì)無(wú)限可分

通過(guò)上文的敘述，我們可以看出物理學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)不能無(wú)休止地分割下去，并且這種分割對(duì)于研究來(lái)說(shuō)其實(shí)是毫無(wú)意義的。但是只管“追問(wèn)”的哲學(xué)家卻不管這么多，他們覺(jué)得如果可以分割的話那肯定要繼續(xù)分下去。

其實(shí)這從某方面來(lái)說(shuō)也沒(méi)什么問(wèn)題，因?yàn)樵谄绽士顺叨戎麓_實(shí)存在著另外的世界，我們不能直接說(shuō)那個(gè)世界是不存在的，只不過(guò)在那里長(zhǎng)度與空間都失去了經(jīng)典的意義，而哲學(xué)家并不認(rèn)為失去經(jīng)典意義就是沒(méi)有研究的意義，如果要深入探索的話，人類(lèi)肯定會(huì)有一些別的發(fā)現(xiàn)。

神秘的微觀世界

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，人類(lèi)可以朝著高維空間不斷前進(jìn)，做出更多的研究，但對(duì)于普朗克尺度之下的“零維空間”也可以進(jìn)行探索，因?yàn)槠绽士碎L(zhǎng)度只代表經(jīng)典時(shí)空當(dāng)中的極限，確實(shí)可能存在比它更小的具有物理意義的東西。

因此，單從認(rèn)識(shí)論角度來(lái)說(shuō)，物質(zhì)無(wú)限可分還是有一定意義的，因?yàn)槲覀兒茈y對(duì)未來(lái)又出現(xiàn)什么理論的革新做出預(yù)測(cè)。

所謂的零維空間就是一個(gè)“點(diǎn)”

畢竟隨著自然科學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)還要從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能等角度繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行“細(xì)分”。所以大家不妨將哲學(xué)家口中的無(wú)限可分，理解為多領(lǐng)域的分割，而不是僅僅局限于大小

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