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什么是普朗克長度?

2022-12-18 00:34 作者:高階領(lǐng)主的死徒  | 我要投稿

要了解普朗克長度,首先應(yīng)該了解單位制。

眾所周知,在國際單位制下,長度的單位是“米”,質(zhì)量的單位是“千克”,諸如此類。為了規(guī)定一米究竟是多少,就需要制作”米原件“。但是原件是會發(fā)生變化的,比如氧化、灰塵沉積等等。所以后來人們依據(jù)更穩(wěn)定的真空光速定義了米。

不過既然我們可以用光速定義米,那為什么不用更基本的光速本身作為單位呢?畢竟這些物理常數(shù)是宇宙的固有屬性,不會隨時間變化。于是以自然常數(shù)為基本單位的自然單位制應(yīng)運而生。

其中普朗克提出的自然單位制,也被稱為普朗克單位制。

在普朗克單位制中,我們定義如下五個基本物理量為基本單位,數(shù)值大小為1:

真空光速?c 、約化普朗克常數(shù)(狄拉克常數(shù))?%5Chbar?、萬有引力常數(shù)?G 、庫倫常數(shù)?k_e?和玻爾茲曼常數(shù)?k_B 。

譬如說,在這種單位制下,物體的能量公式即為:

E%3D%5Csqrt%7Bp%5E2%2Bm%5E2%7D

從而在形式上簡化了表達(dá)。

(類似的,在電動力學(xué)里有時會用到到高斯單位制,高斯單位制下的庫倫公式為:

%5Cboldsymbol%7BF%7D%3D%5Cfrac%7BQ_1Q_2%7D%7Br%5E3%7D%5Cboldsymbol%7Br%7D?)

但是這幾個基本單位并不是很好用,所以我們就需要組合出其他的單位。

比如長度單位可以表示為?l_p%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Chbar%20G%7D%7Bc%5E3%7D%7D ,且顯然滿足?%7Cl_p%7C%3D1?,即為普朗克長度。

類似的,我們還有普朗克質(zhì)量、普朗克時間、普朗克電荷量、普朗克溫度:

%5Cbegin%7Bcases%7D%0Am_p%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Chbar%20c%7D%7BG%7D%7D%5C%5C%0At_p%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Chbar%20G%7D%7Bc%5E5%7D%7D%5C%5C%0Aq_p%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Chbar%20c%7D%7Bk_e%7D%7D%5C%5C%0AT_p%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Chbar%20c%5E5%7D%7BGk_B%5E2%7D%7D%0A%5Cend%7Bcases%7D%2C%7Cm_p%7C%3D%7Ct_p%7C%3D%7Cq_p%7C%3D%7CT_p%7C%3D1

以上統(tǒng)稱為普朗克尺度。

注意,這里的單位其實都是硬湊出來的,并沒有什么嚴(yán)格的物理意義。

但是既然是個物理量,總得給他找個意義。

現(xiàn)在給出一個定性的結(jié)論:

我們認(rèn)為,在普朗克尺度附近,經(jīng)典量子力學(xué)模型將失效,需要使用相對論化的量子力學(xué)模型。

但是請注意,由于沒有考慮引力效應(yīng),經(jīng)典量子力學(xué)模型必然存在誤差,這個誤差是一直存在的,在?G%5Crightarrow%200?時誤差消失。我們只是定性的認(rèn)為在普朗克尺度這個范圍附近誤差將大到無法忽視,但是并不是說就一定存在一個固定的臨界值。

舉個栗子,我們知道在牛頓力學(xué)里質(zhì)量為 m 的物體動能為?E_k%3D%5Cfrac12mv%5E2?。

現(xiàn)在我們可以給出一個定性的結(jié)論:在“相對論動能”(姑且這么命名吧)?E_k%3D%5Cfrac12mc%5E2?附近牛頓力學(xué)將失效。

但這并不意味著動能的上限就一定是?E_%7Bmax%7D%3D%5Cfrac12mc%5E2?。

因為實際上動能應(yīng)該表示為

E_k%3Dmc%5E2-m_0c%5E2%3D%5Cfrac%7Bm_0c%5E2%7D%7B%5Csqrt%7B1-%5Cfrac%7Bv%5E2%7D%7Bc%5E2%7D%7D%7D-m_0c%5E2

類似的,“普朗克長度是最小長度單位”在各種意義上都是無稽之談。

題外話:

從古希臘時代開始,“最小尺度”就一直是一個令人關(guān)心的話題,現(xiàn)在也是如此。在量子力學(xué)誕生以后,時空的不連續(xù)性似乎是一個顯而易見的結(jié)論,不過現(xiàn)有的理論的的確確并沒辦法解決這個問題。

而關(guān)于相對論化的量子力學(xué)模型,現(xiàn)在依舊是非常前沿的研究。比較有名的理論有兩個,量子場論和弦論(不過現(xiàn)在來看弦論可能不太行得通,畢竟好久沒出成果了)。

在弦論里,物理定律要求存在額外的維度,但這些維度被“卷縮”到了非常微小的尺度,(僅作為對比,這個尺度遠(yuǎn)低于普朗克尺度)所以通常無法被觀察到,這似乎意味著確實存在某種最小尺度。無獨有偶,在量子場論里的“點陣”也暗示了某種“最小尺度”的概念。

不過到現(xiàn)在為止,我們并不清楚哪種理論更靠譜,可能它們?nèi)加袉栴},又可能它們其實是都等價的(就像矩陣力學(xué)和波動力學(xué)那樣)。

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