時間和空間是連續的麼,是可以無限分割的麼?

2021-01-14 網易新聞

時空是否連續目前還沒有定論,因為目前的探測水平還沒有達到那種精度。經常能夠看到有一些說法,說空間的最小單元是「普朗克尺度」,時間的最小間隔是「普朗克時間」。實際這種說法有一點斷章取義了。

實際上,普朗克尺度、時間,是指在這個尺度下,傳統的引力理論(廣義相對論)無法正確描述物理現象。但這並不能說明,這個尺度就是時空的最小單元。普朗克尺度非常小,他們的具體數量級為:

但是,近來一些研究「量子引力」的科學家開始思考時空的細部結構,其中一個關鍵的問題就是,「時空是否是連續的?」。首先說一下什麼是「量子引力」。眾所周知,廣義相對論之下的引力,其實是被視為時空的彎曲,所以研究時空的結構,事實上就相當於研究引力。而研究普朗克尺度之下的時空結構,以及這些結構自身的動力學機制,就叫做「量子引力」。

這些研究之中,確實有很多人認為時空是離散的。其基本的理由就是,能量,以及能量密度不能是無窮大。我們知道,電磁學理論並沒有限制電磁波的波長——它們的波長可以從0到無窮大。然而根據波數與能量的關係,如果存在一個波長為0的光子,那麼它的能量以及能量密度就是無窮大。物理學家總希望公式是自洽的——如果公式允許出現一個不合理的東西,那公式可能就出了問題。為了解決這個矛盾,有人就認為,由於時空之不連續,波長會存在一個最小值,從而避免出現能量無窮大的問題。還有一些理論從量子電動力學出發,也認為會存在波長的最小值。進而認為這個最小值是空間本身性質造成的。從而自然推出時間離散。

但其實上面的這個推理也有一些漏洞。比如說,為什麼由於不存在能量無窮大的光子,就必須要有一個截止波長呢?不存在能量無窮大的東西,這個光子本身就不會產生,又怎麼會出現矛盾呢?

其一,讀準數學分析的三個概念。

①連續性,是指離散的間隔足夠小,可近似於連續,叫「可連續」。

②無窮小,指分割的尺度足夠小,可近似於零,叫「可收斂」。

③無窮大,指發散的尺度足夠大,可近似於無窮大,叫「可發散」。

其二,認清芝諾悖論的荒唐所在。

我摘一網友佳貼:「飛矢不動」這個悖論最關鍵的地方,是所謂「瞬間」。理論上的物理學「瞬間」意思是時間長短為零。而在實際中,時間長短永遠不可能為零。只要學過大學的高等數學,理解這個概念就非常容易。高等數學的一個基本運算手段就是牛頓、萊布尼茨創立的「微積分學」。微積分學分成微分和積分兩部分。所謂「微分」就是把一個事物無限量地細分,「積分」就是將細分後的片斷加起來。在微積分中有一個重要的概念叫做「無窮小」,數學符號寫作「dx」。無窮小的概念是:趨近於零,但不等於零。簡單來說,「芝諾悖論」的錯誤就在於,他將無窮小徹底等同於零。無窮小等於零之後,再怎麼相加、累積,最終的結果當然都是零,所以得出推論「飛矢」是「不動」的。但是,真正的概念是無窮小只是趨近於零,無窮個「趨近於零」的無窮小相加、累積之後,就會有一個確切的值。

其三,現在回答本題。

時間與空間單元,只能足夠小,不能無限小;可以視同連續,但不絕對連續。

事實上,不連續性、不均衡性,正是一切事物存在的依據,也量子理論的基礎。

其四,時空的廣延性。

對於一個開放系統,其時間不能足夠長,其空間不能足夠大。對於絕對包容的宇宙系統,其時間可以足夠長,其空間可以足夠大。

雖然,可以說宇宙時間無限長空間無窮大,但超越了人類認知能力,而變得毫無意義。

總的來說,目前關於時空是否連續這個問題,仍然有很多爭議。這方面的實驗也幾乎沒有,基本都處在純理論的階段。

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