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

2020-11-08 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。

遠離地球許多光年的深空星場。美國國家航空航天局提供的這張照片的要素Star field in

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，夸克被認為是無法再分解的基本粒子。現在對基本粒子的理解就僅止於此了。

黑色數字分形圖像image of one Digital Fractal on Black


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。

蟲洞。概念電腦繪圖的隧道代表一個蟲洞

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。

移動原子的抽象背景。高質量的三維插圖Abstract background of moving

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。

大型強子對撞機粒子加速器磁鐵。在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心歐洲粒子物理實驗室

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。

銀河中的可用空間

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。

外太空的行星、恆星和星系的宇宙場景展示了太空探索的美麗。美國國家航空航天局提供的元素Universe

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？

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    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？
  • 普朗克長度是個什麼東西?
    長度真的可以無限被分割嗎？   在初中學習數學的時候我們知道這樣一個概念——無限小，無限小意味著小到沒有邊界，沒有最小，只有更小，這就代表著長度是可以無限分割的。因為當時計算黑洞輻射分別需要使用到兩個公式，其中一個公式在短波輻射中適用，在長波輻射中不適用，另外一個公式在長波輻射中適用，在短波輻射中不適用，普朗克在一次很偶然的數學計算中，將兩個公式強行拼成了一個公式，普朗克得出的這個黑體輻射公式可以很好的解釋一切波長的能量輻射問題，但是必須在這個公式中加入一個前提：能量的輻射不是連續不斷的，而是一段、一段的，由能量的最小單位（量子）傳遞的，後來普朗克根據能量輻射公式推導出了一個物理常數
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    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。也就是說，在宏觀的角度來看，空間只能被分割到普朗克長度。但是，可以定義新的尺度來「繼續」分割。
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    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？不過無論物質到底能不能無限可分，在數學上都是能夠無限分下去的。
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    事實果真如此嗎？實際上，科學界從來也沒有認為量子力學與相對論格格不入，說這話的幾乎都是民科或者科學素養缺失，卻又老喜歡做不知為知知的人。創立了廣義相對論和狹義相對論的偉大科學家愛因斯坦，就同時是量子力學的創始人。
  • 量子力學的出現是推翻了其他理論嗎?
    科學已經發展到現在達到一定高度，它並不是空中樓閣，有著非常嚴謹的發展過程和堅韌的基石。科學的發展進步並非是把一切全部推倒重來，而是進行修正，類似於對一座高樓的修修補補。無論是量子力學還是相對論都是如此，在常規尺度下牛頓的理論依然適用，只是在大尺度的情況下我們應用相對論可以更好的解釋和認識這個世界。
  • 搞不懂量子力學?那看這篇就對了!
    然而對於這個完美的公式，普朗克卻給不出理論解釋，隨後普朗克發現： 只有假設能量在傳播的過程中，不是連續不斷的，不存在無限小的單位，而是必須被分成一段、一段的，能量傳播必須有一個最小單位，只有這樣，這個完美的公式能解釋得通。
  • 為什麼不存在比普朗克長度更短的距離?
    20世紀末期，在嘗試結合量子力學與廣義相對論的過程中，物理學家逐漸產生了這樣一個想法：既然物質的組成結構不具有連續性，物質不是無限可分的，那麼與物質相對應的空間（時間）是否也是不可無限分割的？是否存在最短的空間距離？
  • 真的是時空彎曲產生引力嗎？
    導讀：真的是時空彎曲引力嗎？這個問題不值得懷疑嗎？我對此持懷疑態度。我們把這個方程叫愛因斯坦場方程，也有人把它成為引力場方程。其實稱為愛因斯坦場方程更嚴謹，教科書也是這麼寫的，不會寫成引力場方程。你知道為什麼嗎？
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    可以說，相對論是「嵌入」量子力學的。相對論是唯一一種能夠解釋粒子的產生以及湮滅因果關係的量子學說（對於研究者而言，原因永比結果重要）。 那我們真的需要一個這樣的理論嗎？目前有一種簡單修改過的（幾乎可以說是太簡單）理論能允許相對論和量子力學很好地共存：使用應力-能量張量的期望值，從而替代表示應力-能量張量的量子算子。這些數據可以代入到愛因斯坦的場方程中。這種方法被稱為半經典引力，而且它的效果不錯。除了大爆炸之後的瞬間或黑洞深處的奇點附近，半經典引力可以精準地描述所有地方。