从普朗克到普朗克

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从普朗克到普朗克


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假如盘点20世纪贡献最突出的物理学家,马克斯·普朗克一定在列。1900年,普朗克发表黑体辐射公式假设能量只能以离散的“量子”情势释放,标志了量子物理学的开端。为了表彰普朗克对这一新的物理范畴的奠定性贡献,他被授予1918年诺贝尔物理学奖。


在对黑体辐射题目标研究中,普朗克引入了一个关键的数值。这个物理常量将人们的目光拉到了物理学极限标准的边沿,深刻地影响了量子物理学的发展,以及人们对亚原子世界的探索


从普朗克到普朗克


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普朗克以为,一个假想的共振器只能以某个最小数量改变其能量,这种能量(E)和干系的电磁波频率(ν)成正比,可以体现为E = hν,此中的比例常数就是h,它后来就被称为普朗克常量。随后,爱因斯坦将这种关系发展到描述光子的能量中,进而用光子假说表明白光电效应


从某种意义上来说,普朗克常量及其衍生的约化普朗克常量(ħ≡h/2π)可以反映物理世界的一些最根本的性质。从玻尔的原子模型,到海森堡的不确定性原理,从架起波粒二象性的桥梁,到精准定量“千克”单位,现在,普朗克常量已经成为量子力学,甚至物理学中最重要的数值之一。由普朗克常量进一步发展出的一系列物理量,也成了指引科学家探索极限的路标。


从普朗克到普朗克


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根据狭义相对论长度紧缩时间膨胀,两个相对运动的观测者在时间和长度上永远存在分歧。真是这样吗?他们大概会对以任何单位计量的长度和时间存在分歧。但是,也有一些“绝对”的长度和时间,是由宇宙的本质决定的这种长度和时间完全由物理定律中的普适常量界说,无论是谁,无论是在太阳系,照旧比邻星体系中,只要遵照着与我们相同的物理定律,它们就是相同的。普朗克长度P普朗克时间tP就是这样的物理量,界说它们的三个根本常量分别是约化普朗克常量(ħ)、引力常量(G)以及真空光速(c)。


普朗克长度非常非常非常非常小,用国际单位制体现大约是1.6×10-35米,也就是0.000000000000000000000000000000000016米。假如你对这个数量级照旧没什么概念,可以试着这样想想:原子巨细的数量级大约在0.0000000001米,这已经是我们肉眼可见的最小物体的十万分之一。假设你以每秒1普朗克长度的速度测量原子的直径,你要花的时间将到达目前宇宙年龄的一万万倍。普朗克时间则是以真空光速通过普朗克长度所用的时间,大约是5.4×10-44秒


从普朗克到普朗克


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事实上,从马克斯·普朗克起,物理学家发展出了一整套完备的自然单位,它们被统称为普朗克单位。普朗克单位不但包含了时间与长度,另有质量、温度等许多方面的物理量。除了c、G与ħ,涉及的普适常量还包括波兹曼常量(kB)。(有时还会加上库伦常量,ke。)


假如使用国际单位制或者其他任何单位制来体现这些常量,常量的数值一定取决于测量所使用的单位。固然许多单位非常适用于我们的一样寻常经验,但在理解宇宙更复杂的方面时,它们并非总是适用。假如将上面等式中的所有普适常量改写为c = G = ħ = kB = 1,那么P、tP、mP……所有这些数值就都成了1,它们就构成了一套完备的单位体系。普朗克单位完全由根本常量的组合导出,因此,从某种意义上来说,它们是一种最普适的自然单位,这也是理论物理学家最常使用的工具。


普朗克单位中的各项物理量,本身也包含偏重要的意义。普朗克单位是宇宙最初时刻的特征。标准的大爆炸模型可以表明追溯到普朗克时间的前后的宇宙演化。在那个时刻,宇宙正处于普朗克温度,光子的平均能量靠近普朗克能量。


普朗克单位也描述着一个无法想象的普朗克标准世界。在普朗克长度和时间的标准上,时空与宏观中的面貌截然差别,它不再是连续而平滑的,而是存在着巨大的涨落。人们猜想,这个标准下的时空大概成为混沌的量子泡沫。在弦理论中,“弦”的特征长度标准就被以为在普朗克长度的这个数量级上。


普朗克长度被以为是根本尺寸的极限,是理论上我们可以探测到的最小的间隔标准。由于想要探测普朗克标准上的任何东西,我们必要带有极高能量(普朗克能量)的粒子。当这样的极高能量粒子与目标相互作用时,黑洞就会形成。即使继续提高能量也无济于事,那也只会让黑洞变得更大。


事实上,我们实在并不清晰在这一标准之下究竟会发生什么。现在广泛以为,已知的物理学法则在超越普朗克标准的极限后就会崩塌,甚至相对论物理学大概也必要特别的调解。举个例子,普朗克长度和普朗克时间均由普适常量界说,差别的观测者对它们的观测应当都是相同的。那么在这个标准上的长度紧缩和时间膨胀的效应呢?假如在运动参考系中对这种时间和长度举行观测,好像必要一种修正后的狭义相对论。确实已经有科学家开始了这样的尝试,比如,2002年,意大利理论物理学家乔凡尼·阿梅利诺-卡梅利亚就提出了双重狭义相对论(DSR),试图将普朗克标准纳入讨论。


然而一切都照旧猜想,而它们也很有大概一直都只是一种猜想。


撰文:Planckeko

插图计划:编辑部之花雯雯子

封面计划:一点黑眼圈都没有的岳岳子


参考泉源:

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1918/planck/biographical/

https://newt.phys.unsw.edu.au/einsteinlight/jw/module6_Planck.htm

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/06/26/what-is-the-smallest-possible-distance-in-the-universe/#655a742048a1

https://www.universetoday.com/79418/planck-time/

https://www.huffpost.com/entry/what-is-the-planck-scale-and-why-do-physicists-use_b_59ee45cee4b031d8582f5767?_guc_consent_skip=1596420570

https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/P/Planck+Units


来源:https://www.toutiao.com/a6857306680384979469/
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