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94 世界上最小的尺度:普朗克尺度

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世界的本质是连续的还是离散的?普朗克尺度给出了较为明确的答案,即可被测量的时空是量子化的。时空拥有最小单元,即普朗克尺度和普朗克时间。此处的推理要仰仗不确定性原理。

不确定性原理告诉我们,无法同时确定一个微观粒子的位置和速度,当它的位置越确定的时候,速度就越不确定,反之亦然。让我们假设有两个粒子,它们的距离非常小。这个距离可能无限小吗?不可能。当它们的相对距离非常小的时候,就相当于一个粒子相对于另外一个粒子的位置趋于确定,根据不确定性原理,它们相对速度的不确定性就会非常高。这样一来,粒子速度的平均值就会非常大,对应地,它的能量就非常高。随着距离的缩小,能量会越来越高。随着粒子之间的距离越来越近,系统的能量密度也会越来越大,等能量密度大到一定程度,这个系统就会成为一个局部的小黑洞。我们从黑洞当中无法提取任何有效信息,因为黑洞会把一切物质都吸进去。当这个局部的小黑洞形成之后,这个局部区域对我们来说就完全是“不可知”的了,也就是我们对这个小区域无法进行任何有效测量,无法获取任何有物理意义的信息。这个最小距离就是普朗克尺度,它的数量级大约是10-35米。

相应地,普朗克时间就是指光通过普朗克尺度的时间,大约是10-43秒。普朗克尺度和普朗克时间,说的并非时空的本质是离散的,而是说物理学可做探测、可获取信息的时空尺度是有最小单元的。这恰恰说明了,到了微观世界,我们探讨的不再是事物的本质,而是一切结论都只能建立在可观测的前提之上,我们不能去讨论事物是什么,只能讨论事物在何种观测手段下呈现何种性质,仅此而已。观测的本质是,我们通过实验手段用探测器去与被探测物进行耦合,最终得出的结果是双方相互作用的结果,若不存在相互作用,我们甚至无法感知被探测物的存在。因此,在微观尺度下,我们感受的存在永远只是相互作用之后的结果。在这个意义之下,我们才说,在可探测的时空范围内,时空是有最小构成单元的,它是离散化、量子化的。