宇宙像素化——我們的宇宙是否具有最小距離

2020-12-06 科學新世界

我們的宇宙是否有最小距離或者基本的解析度?現實世界是不是像素化的?這時一個很有趣的問題,讓我們花點時間思考一下現實世界可以被像素化的想法有多奇怪。

通過量子力學,我們不能精確地知道一個粒子的位置。那是因為,量子力學所研究的對象是有隨機性的。除此之外,量子力學還告訴我們,一個粒子的精確位置是「不確定的」,突破了某個界限,在更小的尺度上,位置信息就不存在了。

這是一條線索,宇宙中可能有一個最小的有意義距離,我們或許可以把這種量子距離理解為像素。但是如果現實世界是像素化的,那這些像素有多小呢?我們真的不知道。物理學家東翻西找,把幾個關於宇宙基本信息的基本常數結合起來,進行了粗略的猜測。

這些常數中有量子力學中的普朗克常數h。這是一個非常重要的數字,因為它關乎能量的基本量子化,也可以把這理解為能量的像素化。

為了得到一個能夠定義距離的數字,物理學家用普朗克常數乘以另外兩個常數:宇宙的最大速度(c)和引力的強度(G)。將這些常數以特定的方式組合在一起,我們就能得到一個可以代表單位距離的數字。 這個數字非常非常小,只有10的負35次方米,也就是0.00000000000000000000000000000000001米。我們稱這個數字為普朗克長度。

它意味著什麼呢?我們還不太清楚,但是它可給出了對宇宙像素的粗略估計。把這些數字組合在一起其實沒有什麼道理,但它們每一個都代表了量子層面的物理學要素,所以合在一起時,它們也許能提供關於宇宙基本尺度的線索。

我們能證實這件事嗎?還不行。我們用於探索微小距離的工具,已經從可以探測可見光波長(約10^-7米)的光學顯微鏡,發展到了電子顯微鏡,後者可以在約10^-10米的尺度上探測物質。此外,高能粒子對撞機可以在約10-20米的尺度上觀察質子的內部。這意味著我們距離檢驗普朗克長度的真相還有15個數量級那麼遠。也就是說,我們很可能仍舊無法搞懂很多細節。

有多少細節呢?想像一下,如果我們擁有的最小的尺子或眼睛能看到的最小的東西有10^15米長,相當於太陽系寬度的100倍,那你必然對小於這個尺度的事情一無所知。在15個數量級的尺度上,我們會錯過很多很多。

我們還有希望在普朗克長度上探索事物的真相嗎?技術進步在一兩百年的時間裡讓我們從光學顯微鏡下的10^-7米的世界來到了粒子對撞機中10^-20米的世界,我們很難預測未來的科學家會讓我們看到什麼。

但是,如果我們根據粒子對撞機的使用方法進行推斷,那麼要想在普朗克長度上看到東西,加速器的能量就要比我們今天用的這個高出10^15倍。這意味著它的個頭兒也要增大10^15倍,而花銷將增長10^15倍。這麼多個10^15實在讓人難以承受。

我們沒有宇宙像素化的確鑿證據,但是量子力學和我們至今已經測量到的宇宙常數強烈暗示著宇宙最小距離的存在。當然,這個距離肯定非常非常非常非常小。

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