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天天动态:物质为何不能小于普朗克长度

来源：科普中国

人类这些年除了关注更深处宇宙的模样，对于微观世界的探索也不遗余力，毕竟微观世界的规律才是这个宇宙的“根本”。当然，想要彻底地剖析微观世界还是比较困难的，首先就要对物质进行分割。


【资料图】

微观世界的构想图

而物质是不能无限分割的，在量子力学当中最小的尺寸被定为“普朗克长度”。那么，为何物质不能小于普朗克长度呢？因为再小就是另外的世界了。

物质的尺度示意图

普朗克长度是什么？

从普朗克长度的命名来看，它肯定和普朗克有着密切的关系，这位德国物理学家，是量子力学的重要创始人之一。

虽然在普通人眼中，爱因斯坦的名气要更大一些，但是普朗克在物理学领域的贡献是毋庸置疑的。从本质上来说，普朗克确实对物理爱得深沉，并且总是有着自己特殊的见解。

量子力学之父——马克斯·普朗克

比如在上世纪初，普朗克发表了名为《关于正常光谱能量分布定律的理论》这标志着量子理论建立，他指出物质辐射或者吸收的能量并非连续的，而是如钟表指针一般跳跃的，所以只能取某个最小数值的整数倍，而这个最小的数值就叫做能量子。

因此，普朗克长度一直到现在都是量子力学当中最小的尺寸，它是由引力常数、光速、普朗克常数的相对值决定的。这个长度大约为1.6×10^-33厘米，只有一个质子直径的10^22分之一。

尺度大小对比示意图

最初提出普朗克长度的就是普朗克本人，他希望可以建构出一个新的测量系统，而这个测量系统依靠的自然单位正是在普朗克质量、普朗克时间和普朗克长度上。

值得一提的是，人类迄今为止找到的物质的最小级别是夸克，夸克预计不会超过10^18米，而普朗克长度还要比它更小，是理论上物质最小的尺度。

物质结构的示意图

那么，为什么科学家认为普朗克长度就是物质的最小单位了呢？比普朗克长度还小的物质世界又是什么样的？

物质为何不能小于普朗克长度？

首先大家需要明确一点，那就是物质其实想再细分下去也是有办法的，只不过这种做法并没有意义，因为当物质小于普朗克长度之后，我们所知道的物理规律都将失效。

换句话说，普朗克长度之下的那个物质世界是一个“绝对未知”的地方，并且那里和我们所处的世界关系也不大，为什么这么说呢？

没人知道微观世界之下的世界是什么模样

因为在我们的认知当中，微观世界的变化虽然很微小但是依旧可以影响到宏观的世界，可是普朗克长度之下的物质世界，由于已经不受传统规则的限制了，所以那里和我们的世界是没什么共通性的。

在这种情况下，我们硬要继续将无知无限分割下去，其实是没有任何意义的。更不用说以人类现在的观测和测量水平来看，我们也找不到更小尺度的东西了。

我们生活在宏观世界里

就像咱们在上文中提到的一点，现实世界当中人类找到的最小尺度是夸克，而一直以来普朗克长度只算是活在理论当中的“最小单位”，我们在现实中并未发现这么小的物质。

除此之外，普朗克长度也不是随便就被定位最小单位的，因为根据量子引力预测之下所会发生的物理时间来看，当测量物体位置的精确度到了普朗克长度以下，用于测量位置的光子就会失效，因为此时黑洞已经产生了。

黑洞的构想图

如果我们将广义相对论和量子引力理论放在一起讨论，就会发现低于普朗克长度时，人类传统认知当中对时间和空间的概念都会被瓦解。

当然，虽然许多人都认可了这一限制，但是仍有人认为，如果想找到宇宙的基本答案，人类就必须探索普朗克长度以下的世界。不过这种分割是非常困难的，起码从现在的发展来看，是无法做到的。

宇宙的形成与物质的示意图

值得一提的是，普朗克本身想要创造的就是一个测量的体系，所以在普朗克尺度当中当然不可能只有普朗克长度一个单位，它还包括普朗克时间、普朗克质量。

普朗克尺度的建立

普朗克长度为10^-33厘米，普朗克时间为10^43秒，从这些数值的大小就能看出，它们比人类在现实世界当中找到的“最小”还要小许多个数量级。

有人可能会说，这之中怎么没有普朗克质量，这主要是因为普朗克质量比常规的物质要大，其质量是10^-5克，比质子要大多了。

质子的半径为0.84飞米

实际上，普朗克尺度的建立主要是为微观世界的研究服务的，毕竟我们用一些大尺度的单位去研究那些“微小”的东西会显得很困难。

就像当人类要描述地球和某些相隔较远的天体之间的距离一样，哪怕是用千米，都要加上无数个零，看起来实在是太费劲儿了。

用“光年”来表示更远的长度

除此之外，物质细分等级的问题实际上是在大尺度之下引力太弱的原因，比如在原子核当中质子之间的引力非常的弱，这使得人们在实验的过程当中往往会忽略这一问题。

但是随着科技的进步，人们试图将恒星或者行星的引力强度测量的更加精确，这样的话难免就要关注到质子之间的弱引力。在这种情况下，建立一个全新的尺度就尤为重要了。

质能转化的四种基本力

因此不论是否能理解普朗克尺度到底是由何计算而来，又是如何变成物理学当中的最小尺度的。我们只需要明白它是人类目前为止找到的最精确的描述了，不论是普朗克长度还是普朗克时间。

以普朗克时间来说，它就是宇宙当中最短的“时刻”，它的限制代表着人类无论如何探索都不能将已经出现的黑洞彻底变成一个小点，且也无法找到宇宙大爆炸开始的准确时刻。

宇宙大爆炸示意图

实际上，以这种角度来看，普朗克尺度何尝不是一种限制呢？在这个限制之外，确实有着另外的世界，可是那里充满了未知，并且即使深入研究，对于人类看到的世界也没有影响。

所以，普朗克尺度的存在，也可能是在提醒科学家不要陷入无线分割的泥潭当中，只做有意义的研究就可以了。

不过在历史上许多哲学家都坚持物质可以无限细分的理论，并且这一理论到现在依旧有不少人表示支持。

微观世界的构想图

物质无限可分

通过上文的叙述，我们可以看出物理学家认为物质不能无休止地分割下去，并且这种分割对于研究来说其实是毫无意义的。但是只管“追问”的哲学家却不管这么多，他们觉得如果可以分割的话那肯定要继续分下去。

其实这从某方面来说也没什么问题，因为在普朗克尺度之下确实存在着另外的世界，我们不能直接说那个世界是不存在的，只不过在那里长度与空间都失去了经典的意义，而哲学家并不认为失去经典意义就是没有研究的意义，如果要深入探索的话，人类肯定会有一些别的发现。

神秘的微观世界

简单来说，人类可以朝着高维空间不断前进，做出更多的研究，但对于普朗克尺度之下的“零维空间”也可以进行探索，因为普朗克长度只代表经典时空当中的极限，确实可能存在比它更小的具有物理意义的东西。

因此，单从认识论角度来说，物质无限可分还是有一定意义的，因为我们很难对未来又出现什么理论的革新做出预测。

所谓的零维空间就是一个“点”

毕竟随着自然科学的发展，人类还要从物质的结构、功能等角度继续对其进行“细分”。所以大家不妨将哲学家口中的无限可分，理解为多领域的分割，而不是仅仅局限于大小

对此，你怎么看呢？欢迎来评论区留言。关注CHN九象科技，通过科普，你会发现这个世界有太多奇妙无比的事情。

关键词： 普朗克长度 微观世界 量子力学

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