「時間」在現代物理學中怎麼將連續性都丟失了?

2020-12-05 物理科普

一直盯著鐘錶上的秒針,我們會產生一個疑問:時間是否真像秒針一樣,一格一格跳躍著流逝?這涉及到時間是否連續的問題,即在量子世界,粒子狀態的演化是否連續的問題。它在現代物理學中是有答案的。

時間與空間的性質自相對論以來開始具有了相對性。同樣在量子力學中,時空的性質也發生了重要的變化,對於空間,出現了一個普朗克長度的概念。這個長度是由普朗克常數h、牛頓引力常數G、光速c,這三個表示世界基本性質的常數,根據量綱組合而成,它表示著現實宇宙在微觀層面有一個長度的下限,任何小於普朗克長度的距離都是沒有物理意義的。

由於光速是所有物質的速度上限,因此光子走過普朗克長度所需要的時間,就定義為物理上最短的時間間隔——普朗克時間。根據普朗克長度的定義,類似於光子走過一半普朗克長度、走過三分之一普朗克長度這樣的物理過程是沒有意義的,即可以認為,光子位置在變化時,會嚴格以普朗克長度為單位。

怎樣理解這個最短時間間隔呢?考慮到光子的運動代表著時間的流逝,光子位置以普朗克長度為單位的變化,則普朗克時間就是時間間隔的下限,短於普朗克時間的時間間隔, 是沒有物理意義的。注意這裡僅僅指物理上的無意義,在數學上,一個數字是可以任意減小的。

普朗克時間的表達式在分母位置會多出c^2一項,經過計算,它的數量級約為10^-43秒。再根據普朗克時間的定義,我們會發現,現實宇宙中任何粒子的演化都是以普朗克時間為單位,一格一格跳躍著進行的。

但為何我們在生活中感知不到時間的不連續性?由10^-43這個數可以知道,一秒中包含的普朗克時間多達10的43次方個普朗克時間,因此這個時間間隔真是太小了,在現今最強大的粒子加速器LHC中,遠遠不足以產生能夠探測到普朗克時間的能量。這也就類似於,我們在觀看幀率較高的視頻時,肉眼所看到的畫面是連續的,而實際上,哪怕幀率再高,整個視頻的畫面也不可能是連續的,它只是由一張張獨立的照片組成的。

現實世界就像是一個巨大的時鐘,有一個普朗克指針,它一格一格跳動著,標誌著萬事萬物的演化!

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