普朗克長度是什麼?為什麼它是空間的最小單位,而不可再分?

2020-12-02 百家號

普朗克是舊量子論的創始人,1900年,他為了解釋黑體輻射的問題,提出了能量量子化概念。第一次用量子的概念驅散了物理學的一朵烏雲。

隨後,許多物理單位以他的名字命名。比如普朗克長度,普朗克時間。

人們聽到這些物理術語也深感困惑,按照樸素的思想觀,任何物體都可以無限細分,沒有最小的長度,只有更短的長度。

而普朗克長度規定了物質的最小尺度,如果再小就毫無意義了。

普朗克

今天這篇文章將逐步深入,徹底讓你明白普朗克長度的本質

大家先試想一下,我們是如何認識自然的,如何思考世界的?或許你此時在想著應該吃什麼飯,怎麼賺錢。但是飯菜,金錢這些東西無非就是物質,你能感受到這些物體的存在以及它們的性質,要得益於五大感官。如果沒有眼,鼻,耳,膚,舌等感官,那麼你的大腦就沒有外來信息的攝入,於是意識就是一片空白,也就無法認識世界。

我們人類一開始靠五大感官直接認識世界,而感官有很大的局限性,比如我們看不到銀河系外,也看不見細胞以下的世界。但我們可以借用望遠鏡,顯微鏡等儀器彌補感官的短板。

人腦對外在事物的認識就是處理感官攝入的信息。人對外在事物的認識必然需要提取一些基本量,比如你看見運動員跑到很快,某人臉比較大或者體格很胖,或者是感嘆某個國家經歷了戰火等等。其對所有事物的認知都包含時間,空間,質量這三個基本要素。

而時間並不可無限細分,普朗克時間就是時間的最小單位了。人們對時空裡發生的所有事物的認知,包括直觀的物體和抽象的思想,在宏觀上體現無法就是無數個普朗克時間和長度的疊加。科學家規定普朗克時間就是:光在真空中傳播一個普朗克長度所需的時間。所以搞清普朗克長度就自然明白了普朗克時間了。

空間的度量其實就是長度,空間的最小尺度就是普朗克長度。

人對事物的認識首先需要了解這個事物所在的空間,除去哲學層面,所有的事物都是物質的,即便是抽象的歷史,經濟學等思想都是物質的,因為它們研究的是人的社會學,沒有物質化的人,哪來抽象化的社會學?

而物質是由什麼構成的?現在知道物質構成的最小粒子是夸克,還有不可分的基本粒子。

理論上,人的意識能思考多深,就取決於認知到的物質多麼精細。好,我們現在借用了顯微鏡,了解了原子核內部的構成,人的意識也了解了更小的尺度世界。這一切都得益於測量,如果沒有儀器測量原子內部結構,我們就無從得知微觀世界的一切現象。

現在試問人類可以把微觀世界的尺度研究到多麼小的尺度上?

目前人類只能把物質尺度研究到1.616229×10^-35m,這並不是因為技術的限制,而是自然世界規律就是如此,那麼我可以說1.616229×10^-35m以下的尺度對於人類來說毫無意義。這就是普朗克長度。

普朗克長度究竟是如何測量的?我儘量通俗一點。

我們都知道,微觀粒子具有波粒二象性,也就是說,微觀粒子既是波也是粒子。粒子就是波態和粒子態的疊加狀態。

如果這個粒子的波長很短,那麼頻率就大,於是這麼粒子就更顯得像個粒子,而不是波。如果這個粒子的波長較長,頻率就低,於是顯得更像個波,而不是粒子。

這種思想我以前多次介紹過,可以通俗的把波粒二象性想像成機械波,如果粒子波粒二象性的波長短,那麼波的波峰距離就短,相鄰的波就好像挨在一起,於是形成波包,這個波包就像個粒子。波長較長的話,波包就沒有了,導致粒子整體就像個波。

這就是波粒二象性,微觀粒子同時具有波動性和粒子性,波長較長會導致粒子整體更偏向地呈現出波動性,反之則更偏向粒子性。

所有微觀粒子都是波粒二象性的,什麼電子,光子,中子,夸克等等全都是。而正是這些物質組成了宏觀宇宙。我們要認識微觀粒子就需要測量它們的位置。

我們怎麼測粒子位置呢?

科學家只能用微觀粒子測量微觀粒子。一般情況下,用於測量的微觀粒子是電子。

微觀粒子不像宏觀物體有稜有角的,測量起來問題不斷。

如果我現在要測量x粒子的位置Δx,但由於這個粒子還有波動性,其位置並不固定,我們就只能測量它的位置的一個範圍段。

科學家發射電子去測量x粒子的位置。為了不讓電子和x粒子劇烈地撞擊,科學家讓電子的波長比x粒子稍長一點,這樣就把x粒子「卡」在電子的波長中了,那麼我發射出的電子的波長是多少,那麼x粒子的位置範圍就是多少。

理論上,我們可以把x粒子的位置測量多麼精細呢?

事實上,越精細地測量,就要求我們把電子的波長縮的越短,這樣就相當把x粒子「卡」的更緊,測得的位置就更準確。但是電子的波長縮短會導致電子的頻率增加,頻率大的電子其能量就大,這就難以避免電子撞擊被測量的x粒子,導致其動量Δp不穩定了。

這就是不確定性原理。此原理告訴我們:粒子的動量和位置不可同時測得,位置測得越準,其動量越不準,反之亦然。於是位置Δx和動量Δp就有一個關係式:ΔxΔp≥/2。

有的人認為,只要我們放棄粒子的動量,就會把粒子的位置測得無限準,但事與願違。

想像一下,把粒子的位置測得越準,就需要波長越短的波,這就意味著用於測量的電子的能量越大。

考慮到質能方程E=mc(提醒,系統可能無法顯示光速的平方)。如果設被測量的x粒子的質量為m′,它所能釋放的所有能量就是m′c。如果x粒子被電子以與它所能釋放的所有能量m′c撞擊了,則就會導致x粒子吸收能量,生成另一個x粒子。那還測量毛線,最後都不知道到底測量的是誰!

在這個層面上,測量就毫無意義了,所以這也是人類認識微觀粒子位置的底線了。

電子波長為多少才會導致被測量粒子恰好能生成同樣的粒子呢?

由不確定性原理ΔxΔp≥/2,於是Δp≥/2Δx。

微觀粒子的動量Δp=mv必須考慮相對論效應,因為微觀粒子的運動速度一般都很快,其速度越快,質量就越大。

動量Δp=mv,式中質量m隨著速度v的增加而增加,根據狹義相對論的質速關係(專欄裡有推導過程,很簡單),m=m0v/(1-v/c)代入到不確定原理公式中。得出當動量Δp≯mc時,能量的不確定性才會大於m′c。

位置Δx≥/2Δp,Δp為mc,於是Δx≥/2mc, 那麼/2mc就是粒子位置的空間範圍。這時候我用大於x粒子位置範圍一倍的電子波長測量它,則電子的波長就是h/mc。這就是康普頓波長,是人類測量粒子位置的極限波長。這個波長的大小取決於粒子的質量,因h/mc中的h是普朗克常數,c是光速,也是常數,只有質量m是變量。

這就是普朗克質量,它是一個史瓦西半徑2Gm/c等同於康普頓波長h/mc的黑洞所帶有的質量。也就是說,一個粒子理論上可以被壓縮到的最小狀態,最後就成了黑洞,測量它就不能獲得意義。

那麼這個黑洞的半徑就是普朗克長度。史瓦西半徑和康普頓波長結合就是普朗克長度(G/c)。式中是約化普朗克常數,G為重力常數,c為光速。它們都是常數,於是就可以計算出普朗克長度≈1.616229×10^-35m

我們對微觀世界的測量受限於無法抗拒的自然規律。導致人類對微觀世界的認識就有一個極限尺度。在極限尺度以下,人類沒有任何手段可以探測到,人類的感官對世界的認識只能停留於極限尺度以上。其實在極限尺度以下,物質的時空變化對人類來說並沒有意義。這種極限長度就是普朗克長度。

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