普朗克長度是個什麼東西?

2021-01-20 徐峪雜文

  長度是否無可以限分割?想必絕大多數人的回答是:當然,長度當然是可以無限分割的。古代的一些思辨家們也想過這個問題。

   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。

   莊子云:一尺之棰,日取其半,萬世不竭,講的也是這個道理。

   舉一個生動的例子:我們將一個筷子對摺,每對摺一次,筷子的長度就要縮短二分之一,那麼我們將筷子對摺N次,筷子的長度就會縮小為原來的N個二分之一倍,雖然從操作的角度講很難,但從理論上來說,這個過程可以無限的進行下去,也就意味著筷子的長度可以無限縮短。

   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。


  普朗克常數引發的思考

   1900年,德國物理學家普朗克在研究黑洞輻射的問題時候遇到了一個嚴重問題,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:普朗克常數h=6.62607015×10-34 J·s,然後通過普朗克常數又推斷出了很多個物理常數,例如普朗克溫度、普朗克時間、普朗克長度等等。

   其中的普朗克長度就是指長度的最小單位,即1.6x10-33釐米,我們可以將普朗克長度理解成一個質子直徑的10的22次方分之一,即使使用目前最先進的電子顯微鏡,也無法觀察到它,因為它在由粒子組成的微觀世界都可以小到忽略不計,但由於普朗克長度是通過公式推導出來的,所以更為嚴謹的說:普朗克長度是具有意義的最小可測長度,或許有比普朗克長度還要短的長度,但它不具有現實意義。就像在數學解方程中得出的解是虛數,或者在相對論體系內討論超光速一樣,這些都沒有現實意義。

   從這個角度上來說,任何趨於無限小的有意義的長度都不會小於普朗克長度,不然這個無限小就失去了存在的意義,例如:宇宙中十分常見的天體黑洞,雖然黑洞會由於重力崩塌的作用無限向內坍縮,體積將會無限變小,但黑洞的體積也不會小於普朗克長度,或者說黑洞實體(並非事件視界)就是普朗克長度,這裡補充一下,普朗克長度與普朗克時間等物理常數是可以相互推導的,例如光運動普朗克長度所需要的時間就是普朗克時間,也就是時間的最小單位。

   世界是不連續的

   剛才提到了黑洞體積的問題,體積分為三個維度:長、寬、高,這三個維度通過長度來表示,三者共同構成了空間,等一下,既然長度存在著最小單位,那豈不意味著空間也是由一段、一段的最短長度構成的了嗎?或者說我們生存的空間、世界也是不連續的,作為人類的我們也是一段、一段的。

   我們存在的世界是不連續的?而是一段、一段的?這的確與我們的常識不符,當然,我們對這個觀點感到疑惑、甚至是質疑也無可厚非,因為我們生存於宏觀低速世界,所以我們的常識、認知也是基於宏觀低速世界形成的,對於宏觀高速世界、微觀粒子世界的特性,對於我們完全是陌生的,或者說是難以接受的。如果在現實生活中,我們對別人講:原來我們的身體不是連續的,而是一段一段的,那麼我們百分之百會被認定為是精神不正常。

   因為一些微觀粒子的特性,包括普朗克長度這些物理常數只有在微觀世界才能體現,一旦轉換到宏觀世界,這些量子效應、最短長度都可以選擇忽略不計了。


相關焦點

  • 分割到普朗克長度
    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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    這就是我們將要回答的第二個問題涉及的問題。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?
  • 從普朗克到普朗克
    普朗克長度𝓁P與普朗克時間tP就是這樣的物理量,定義它們的三個基本常量分別是約化普朗克常量(ħ)、引力常量(G)以及真空光速(c)。假設你以每秒1普朗克長度的速度測量原子的直徑,你要花的時間將達到目前宇宙年齡的一千萬倍。普朗克時間則是以真空光速通過普朗克長度所用的時間,大約是5.4×10-44秒。事實上,從馬克斯·普朗克起,物理學家發展出了一整套完整的自然單位,它們被統稱為普朗克單位。
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  • 在普朗克長度的世界,它產生了漏洞
    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。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。
  • 普朗克時間
    你能設想的最小時間單位是什麼?秒?毫秒?很難說,要看相對於什麼。在特定的情況下,幾個小時可以飛逝如電,幾秒鐘也可以度日如年。但是對物理學家來說,時間並不總是那麼有哲理的東西。它們和宇宙力量中的無限大和無限小有關,因此就需要有單位能夠對它們進行客觀的測量。普朗克時間就是微觀方面的一種測量方式。它以德國物理學家馬克斯·普朗克的名字命名。
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  • 追龜問題的量子解釋:普朗克長度解決一切類似的悖論
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  • 宇宙間最小的長度,人類或永遠無法理解它的真正含義是什麼!
    不過科學家們早已經開始努力去研究弦,以及微觀宇宙裡其他極為細小的物質,他們的發現為找到另外的世界提供了很好的線索,他們對微觀世界的研究深入到越來越小的範圍內,科學家們已經成功觀察到原子的內部,但如果繼續深入研究下一層的次原子,那裡會有一些什麼呢?
  • 一滴水有4萬億億個氫原子,但和普朗克單位相比,氫原子如同宇宙
    那麼現實世界中最短的距離是什麼呢?一個水分子包含了一個氧原子和兩個氫原子,一滴水中就有2萬億億個水分子物理學概念上最短的距離是普朗克長度,量子力學認為物質小到這個幅度上就不可分割了,因此普朗克長度也被認為是宇宙最小長度單位,它指的是光子在一個普朗克時間中走過的距離,大致為1.6x10的-35次方米,或者一個質子直徑的10的22次方分之一,它是一個小到難以置信的數字。
  • 一滴水有4萬億億個氫原子,但和普朗克單位相比,氫原子如同宇宙
    那麼現實世界中最短的距離是什麼呢?一個水分子包含了一個氧原子和兩個氫原子,一滴水中就有2萬億億個水分子,只其中包含4萬億億一個氫原子,可見氫原子有多麼微小吧。物理學概念上最短的距離是普朗克長度,量子力學認為物質小到這個幅度上就不可分割了,因此普朗克長度也被認為是宇宙最小長度單位,它指的是光子在一個普朗克時間中走過的距離,大致為1.6x10的-35米,或者一個質子直徑的10的22次方分之一,它是一個小到難以置信的數字。次方
  • 量子力學的核心,普朗克常數
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  • 【科普向】什麼是普朗克常數?
    二、普朗克常數在物理學框架中的地位(一)作用量和它的量子化        普朗克常數的量綱是什麼?其單位為「焦耳×秒」,也就是[能量]×[時間],看起來好像有點意思~ 再回憶一下,你也許能想到這個量綱還等於[動量]×[長度]。還等於什麼呢?沒錯,這個量綱還等於傳說中的[角動量]。
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    在宇宙中,沒有什麼比黑洞更讓人頭疼的了。這個宇宙中的怪物,在視界範圍內完全藐視任何物理定律,讓我們完全不知道裡面會發生什麼。即使在視界範圍之外,也有很大區域受到它恐怖引力的影響,變得十分混亂。可是,在這個宇宙中,即使是黑洞也會不甘寂寞,有的時候湊成一對,組成雙黑洞系統。在雙黑洞系統內,空間會變得更加凌亂。