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94 世界上最小的尺度:普朗克尺度

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世界的本質是連續的還是離散的?普朗克尺度給出了較為明確的答案,即可被測量的時空是量子化的。時空擁有最小單元,即普朗克尺度和普朗克時間。此處的推理要仰仗不確定性原理。

不確定性原理告訴我們,無法同時確定一個微觀粒子的位置和速度,當它的位置越確定的時候,速度就越不確定,反之亦然。讓我們假設有兩個粒子,它們的距離非常小。這個距離可能無限小嗎?不可能。當它們的相對距離非常小的時候,就相當於一個粒子相對於另外一個粒子的位置趨於確定,根據不確定性原理,它們相對速度的不確定性就會非常高。這樣一來,粒子速度的平均值就會非常大,對應地,它的能量就非常高。隨著距離的縮小,能量會越來越高。隨著粒子之間的距離越來越近,係統的能量密度也會越來越大,等能量密度大到一定程度,這個係統就會成為一個局部的小黑洞。我們從黑洞當中無法提取任何有效信息,因為黑洞會把一切物質都吸進去。當這個局部的小黑洞形成之後,這個局部區域對我們來說就完全是“不可知”的了,也就是我們對這個小區域無法進行任何有效測量,無法獲取任何有物理意義的信息。這個最小距離就是普朗克尺度,它的數量級大約是10-35米。

相應地,普朗克時間就是指光通過普朗克尺度的時間,大約是10-43秒。普朗克尺度和普朗克時間,說的並非時空的本質是離散的,而是說物理學可做探測、可獲取信息的時空尺度是有最小單元的。這恰恰說明了,到了微觀世界,我們探討的不再是事物的本質,而是一切結論都隻能建立在可觀測的前提之上,我們不能去討論事物是什麽,隻能討論事物在何種觀測手段下呈現何種性質,僅此而已。觀測的本質是,我們通過實驗手段用探測器去與被探測物進行耦合,最終得出的結果是雙方相互作用的結果,若不存在相互作用,我們甚至無法感知被探測物的存在。因此,在微觀尺度下,我們感受的存在永遠隻是相互作用之後的結果。在這個意義之下,我們才說,在可探測的時空範圍內,時空是有最小構成單元的,它是離散化、量子化的。