量子力學能解答很多問題,但在普朗克長度的世界,卻產生了漏洞

2020-12-06 科學新世界

宇宙充滿了像暗物質和暗能量這樣謎一般的存在,人們不知道它們是什麼形態?由什麼構成?也不知道擴展到了什麼地方,黑洞的末期是爆炸還是蒸發。

自量子力學創立初始之日,在觀測問題方面就存在根本性的缺陷,這就造成了相對論和量子理論的衝突。即使如此,以目前不完善的量子力學也為人類對宇宙本質的認識作出了卓越貢獻。

微觀世界

微觀世界是怎麼樣的?早在一百年前,包括基本粒子物理學在內的量子力學就就達到了原子級別的微觀領域。

在我們的世界,我們的身體以及周圍的物質都是由原子這種極其微小的的粒子構成。原子的中心有原子核,其大小約為原子的百萬分之一。原子核由質子與中子吸附而成,而質子和中子又是由夸克吸附而成。再往後,夸克被認為是無法在分解的基本粒子。現在對基本粒子的理解就僅止於此了。

夸克能影響的距離約為10﹣17米,現在的基本粒子物理學只能解釋在這一空間範圍內的物體。在指責量子力學的不完善之前,應當先讚美它偉大的微觀世界。如今,巨大的粒子加速器實驗已經不會發現違反標準基本粒子物理學的現象了。因為配合實驗,按照標準理論創造「標準模式」,會有這種結果也是理所當然的事。

普朗克長度的世界是什麼概念?

在理解了基本粒子物理學之後,人類是否已經徹底了解微觀世界了呢?這還遠遠不夠。

科學家認為使用現在的量子力學也並不能解釋小於10﹣35米的規模,要想理解這個世界是怎麼樣的。就必須打破現有的量子力學理論,構築新的體系。

10-35米的規模被稱作「普朗克尺度」。它究竟有多小呢?這裡給大家一個基本概念。現在的基本粒子物理學能涉及的尺寸是10-17米,如果我們以超出科學的技術將其擴大至1米的話,擴大率為10-17倍。那麼,如果將原子核擴大到100米的話,原子將達到10萬千米左右,而地球尺寸約12742千米,這是比地球還大的尺寸了。

但即使如此程度的擴大,普朗克長度10-35米也不過膨脹到10-18米而已。也就是說,這還不足夸克本身的大小。

普朗克長度就是如此小的超微觀世界。探尋這個超微觀世界,尋找新的物理法則,也許需要付出足以顛覆整個量子力學的努力,還需要愛因斯坦和薛丁格這種等級的大腦,以及宇宙規模的粒子加速器和100年以上的時間。

量子力學的漏洞

量子力學已經發展到現在的地步,科學家已經將量子力學運用到實際生活中了,比如量子計算機,量子大腦,以及量子通訊,你可能會想量子力學已經快要完善了。如果這樣想就錯了,在超微觀的世界中,量子力學產生了漏洞。

我們在進行細菌和細胞的觀測時,需要使用給它們投射可視光的顯微鏡,而可視光的波長大約是萬分之一毫米。以此類推,要了解萬分之一毫米大小的構造,最低限度需要的可視光要具有光子級別的能量。

原子和分子大小約為百萬分之一毫米,所以不能用可視光觀測,但可以選擇用電磁波觀測,這就可以使用波長為百萬分之一的X射線。那麼,要觀測普朗克長度規模,就要創造波長為普朗克長度的光子,使其適用於夸克、電子或其他光子的觀察對象。

這在目前是不可能的實驗。因為被觀察的對象會吸收這種能量,進而發生分裂等變化,導致難以發出具有與其相匹配能量的光子或粒子。如果能實現這種觀察,就能期待普朗克長度在物理上的新成果了。

我們知道能量含有質量就形成了引力源。現在的粒子加速器所製造的能量基本可以無視引力效果,但波長為普朗克長度的光子的能量就無法無視了。

要用量子力學處理這些變化,就必須考慮在粒子之間作用的引力。處理引力則意味著要處理時空的扭曲,如果能完成這些的話,就能用量子力學解釋黑洞和宇宙大爆炸。

也可以推斷,也許在宇宙大爆炸最初期的高溫、高密度宇宙中,波長為普朗克長度的光子處於到處亂飛的狀態。

但現在的量子力學無法處理這種反應。能應對基本粒子與黑洞的反應,以及宇宙大爆炸初期的方程式並不存在,誰都無從入手。

以現在量子力學的方法無法達到普朗克尺度領域,必須要構造新量子力學,也就是統合廣義相對論和量子力學的理論。不過,這種理論目前還沒人發現。

量子力學的偉大

若未來有人發現了這個新量子理論,那麼,它就成為了可能解決所有問題的超級理論。

比如,黑洞是否會蒸發?

宇宙起源的問題。

消除相對論和量子理論的矛盾

明確人類為何會存在智慧,而電腦卻不會等等。

所有的問題的解決都依賴於未來理論的發展,那麼,將會是誰會在什麼時候能發現這一新理論呢?

相關焦點

  • 量子力學真的能詮釋一切嗎?在普朗克長度的世界,它產生了漏洞
    量子力學的漏洞‍量子力學已經發展到現在的地步,科學家已經將量子力學運用到實際生活中了,比如量子計算機,量子大腦,以及量子通訊,你可能會想量子力學已經快要完善了。如果這樣想就錯了,在超微觀的世界中,量子力學產生了漏洞。
  • 追龜問題的量子解釋:普朗克長度解決一切類似的悖論
    悖論一直是科學論壇有趣的一個話題,各種縝密而又不合常理的問題往往讓人懷疑眼前真實的世界。其中追龜問題是一個明顯違背常識而又看似毫無破綻的悖論,那麼為什麼古希臘神話中的神會跑不過一隻普通的烏龜呢?追龜問題,又叫阿基裡斯悖論。
  • 世界不是連續的:普朗克首次提出量子概念,動搖了經典力學的根基
    量子講堂第十二期:世界不是連續的,普朗克首次提出量子概念,動搖了經典力學的根基為了讓大家更好的理解世界不是連續的及量子等相關概念,這篇文章會採用較為通俗的語言為大家講解,儘可能少使用讓大家頭疼的數學公式。
  • 費曼何以確信「無人能懂量子力學」?
    費曼是量子力學大神,按理說他應該非常懂量子力學。可是對量子力學,費曼有一句名言:我確信沒有人能夠懂量子力學。費曼對量子力學的評價可以說是物理學家的共識,很多物理學家也表達過類似的觀點,量子力學哥本哈根派的領軍人物玻爾就曾說過:如果誰在學習量子力學時不覺得困惑,說明他根本不理解量子力學。 我們生活在低速的世界,日常生活中我們是和宏觀物理打交道,這時候描述物體的運動用牛頓建立起來的經典力學就足夠了。
  • 根據普朗克長度,周長能無限分割嗎?
    二,關於第二個問題和數學上的一些特徵因為圓周率是通過不斷割圓的周長來取得精確值的,但普朗克長度是最小的長度,不能再對它進行分割,那割圓術把圓周長如割到小於普朗克長度時是否也不能再割?德國科學家普朗克,量子力學創始人之一普朗克長度是在量子力學中認為的物理現實中最小長度單位,其大小為
  • 普朗克長度是個什麼東西?
    但如果我們將長度無限分割奉為真理,那麼在邏輯上就會出現一些悖論,最著名的就是古希臘哲學家提出的:芝諾的龜,如果我們承認是無限可分的,那麼從邏輯上講,我們就永遠不可能追上前面那隻緩慢的烏龜,這個邏輯上的悖論困擾了數學家很多年,但如果承認長度不是無限可分的,那麼整個經典力學的基本就面臨著崩塌的危險。
  • 分割到普朗克長度
    宇宙起源,黑洞,蟲洞,多維空間,相對論,量子力學,地外文明,迷失古蹟,不解之謎,科技前沿。從宏觀到微觀,從科技到科幻,我們一一為您呈現!歡迎廣大宇宙愛好者持續關注我們微信平臺 空間是量子化的,當被分割到普朗克長度後,量子化的尺度將被分割到極限,既,將不能再以量子化的尺度來衡量空間。
  • 關於量子力學幾大問題的解答:量子不是粒子,而是一種物理概念
    答:量子力學是一門研究微觀粒子運動規律的物理學理論,研究對象(微觀粒子)包括:分子、原子、原子核、基本粒子(光子、夸克、電子、中微子等),量子力學是現代物理學的兩大基礎之一,經典力學是主要解釋宏觀低速物質的運動規律,相對論是主要解釋宏觀高速世界物質的運動規律,量子力學主要解釋微觀世界粒子的運動規律。
  • 量子力學創始人普朗克,一開始不相信自己發現的理論
    導讀:本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的,但世界的確定性不是我們能把我的。不管你信不信,量子力學創始人普朗克一開都不敢相信自己的理論!這值得我們深思。
  • 想要學好量子力學就必須明白此概念:量子不是粒子,而是一種概念
    ,直到一個全新的微觀粒子世界出現在物理學家的面前,物理學家們驚訝的發現:在微觀粒子世界,微觀粒子運動與宏觀世界截然不同,如果使用經典力學去解釋微觀世界的粒子運動、現象的話,那麼經典力學就會變得十分荒謬與乏力,於是物理學界急需要一種全新的物理理論去探索微觀粒子世界,於是量子力學誕生了。
  • 普朗克常數與一系列普朗克常量分別是什麼?它們支配著這個世界!
    要說普朗克常數就首先要說普朗克這個人,普朗克可以說是量子力學之父,於1918年獲得諾貝爾物理學獎,和愛因斯坦並稱為20世紀最重要的兩位物理學家。他是最先提出能量子這個概念的物理學大牛,在「紫外災難」中,普朗克利用量子力學的思想完美地解決了「黑體輻射」的問題,提出了普朗克輻射定律。
  • 文化名人普朗克與量子力學,將兩個半經驗公式組合成普朗克公式
    文化名人普朗克與量子力學,將兩個半經驗公式組合成普朗克公式量子論這個概念是德國著名的物理學家普朗克提出來的。普朗克少年時就酷愛科學和藝術,中學畢業後,對於本活道路的選擇舉棋不定,究竟是為物理學奮鬥終身呢,還是獻身於音樂王國?
  • 潘建偉:量子力學和意識產生可能是有關係的
    我們都說不知道,所以經典物理學本身解決了很多的問題,但是,它也帶來了這麼一個困惑。非常有意思的,到了上一個世紀初,隨著普朗克提出了量子論,統一的微觀世界的規律,愛因斯坦提出了相對論,告訴我們時間和空間相對,這個基礎上我們帶來了第二次科學革命,其中一個最主要的內容是量子力學,量子力學主要是研究微觀世界的科學規律。其實所謂的量子,我們剛剛所講到的,原子、分子、光子都是屬於量子的範疇。
  • 非專業人士為什麼要學量子力學?
    原哈佛大學的校長陸登庭說:「如果沒有好奇心和純粹的求知慾為動力,就不可能產生那些對人類社會具有巨大價值的發明創造。」 想像力比知識更重要。知識是有限的,而想像力概括著世界上的一切。想像力能夠打破思想的禁錮,推動人類社會進步。想像力是知識進化的源泉,沒有一種心理機能,能比想像更能深化人類對世界的認識。想像力不是天生的,需要後天培養。
  • 想要擺脫量子產品的坑,你要知道量子力學的起源
    量子力學這個概念近些年漸漸走進普通人的身邊了,所以很多人都開始想了解一下這個量子力學到底講的是什麼,這個東西說起來真的很詭異,不像相對論那麼容易理解,量子力學非常顛覆非常的反常識,所以這就讓人理解起來很困難,這個不僅僅是普通人理解起來很困難,連物理學家們研究起量子力學來也是一路跌跌撞撞
  • 量子力學那點事長路漫漫之三:黑體輻射——普朗克的重大發現
    物理學家們都喜歡理想狀態,這是物理學的一個優良傳統,例如牛頓爵爺在理想狀態 下提出了牛頓力學,克拉伯龍提出了理想狀態下的氣體方程,那麼這個輻射也應該由一個理想狀態,這個理想狀態就是黑體。 理想黑體比黑洞還黑,霍金說黑洞還輻射點東西呢,而理想黑體只吸收不輻射,那麼黑體的輻射規律是怎麼樣的呀。
  • 量子力學新思考(3)—普朗克常量與角動量
    量子力學新思考(3)—普朗克常量與角動量司今(jiewaimuyu)1900年普朗克在研究物體熱輻射規律時發現,只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的,即是一份一份地進行的,則其計算結果才能與試驗結果是相符;每份能量子ε=hγ,γ為輻射電磁波的頻率,h為一常量,稱為普朗克常數。
  • 超弦理論為什麼能輕易解決量子力學無法解決的引力問題?
    如果你了解什麼是超弦理論,你會感嘆到它的框架是那樣的迷人(也可以在最下方查看我的其它文章),但更吸引人的地方還在於超弦理論能緩和引力與量子力學之間的對立。我們都知道廣義相對論和量子力學是不共戴天的,廣義相對論講述的是時間和空間體系,而量子力學卻說世間萬物都在被量子觸摸。
  • 量子力學究竟對風華正茂的普朗克做了什麼?
    馬克斯·普朗克馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克(德語:Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858年4月23日—1947年10月4日),出生於德國荷爾施泰因,德國著名物理學家
  • 量子力學1.1.2 普朗克假說
    為了解決這個理論和實驗不符的問題,大名鼎鼎的德國物理學家馬克斯·普朗克(Max Planck)在1900年提出了一個令人非常意外的假設