宇宙如何构成：微观尺度上的无序微粒.docx

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1、宇宙如何构成：微观尺度上的无序微粒 科学中最关键却未受到充分赏识的成就之一，就是用数学方法描述物理宇宙。详细讲，就是对连贯而流畅的数学函数的运用，比如用正弦函数来描述光和声音。这一做法有时候被称作牛顿运动第零定律，以向运用了类似函数的闻名的牛顿三定律致敬。 20世纪初期，阿尔伯特爱因斯坦对牛顿宇宙学说的地位造成了影响深远的撼动，他向人们展示了宇宙的两个新特性：一是质量可以造成空间的弯曲，二是空间和时间具有内在相关性。他把这一新的概念称为时空。尽管这一观点令人震惊，但它的公式和牛顿的方程一样，连贯并且流畅。 然而，近期一小群探讨人员发觉，时空本身具有内在的随机性，这使得牛顿第零定律在小尺度上也不

2、再适用了。 让我们来探究这一发觉的意义。 首先，什么是时空？你或许还记得在平面几何当中，假如取两个点，通过第一个点画x轴和y轴，那么这两个点之间的距离就是x2+y2的平方根，其中x和y是其次个点的坐标。在三维空间中，对应的距离用x2+y2+z2的平方根表示。这些距离是恒定的，它们的值不会因为坐标的画法而变更。 那么，假如把时间作为第四维呢？ 四维时空中的一个点被称作一个“事务”：它在空间上的位置由x轴、y轴和z轴确定，在时间上的位置由t确定。那么，两个“事务”之间的距离是多少？用类推的方法，很简单认为这一距离是x2+y2+z2+t2的平方根，但事实并不是这样。假如采纳不同的坐标系，这一距离就会

3、改变，所以它事实上并不能真的被看作距离。爱因斯坦发觉，恒定距离是x2+y2+z2-ct2的平方根， 其中c代表光速。假如你采纳不同的坐标系，x、y、z和t的值可能发生改变，x2+y2+z2-ct2的平方根却不会。 爱因斯坦通过一个绝妙而且高度困难的逻辑链推理得出，引力的实质是时空自身的几何学特性它的曲率。而这一曲率是质量造成的。爱因斯坦说，假如宇宙中没有质量，那么时空就是平坦的，也就是没有曲率。 想要理解空间的曲率，可以想象一只在球体表面爬行的虫子。这只虫子要怎样才能知道它不是在一个无尽的平面上呢？假如这只虫子沿一个方向走，它最终会回到最初的地方。或者，假如这只虫子以正确的角度画一个坐标轴，它

4、就会发觉从起始点到任一点的距离并不是x2+y2的平方根。这只聪慧的虫子或许就会推导出，自己处在一个曲面上。 因此，曲率影响两点之间的距离，而质量确定曲率。 在真空中，粒子和反粒子不断产生。 这就是爱因斯坦时空概念的要义。但是他的相对论仅仅是20世纪物理学的两大革命性突破之一，另一项是量子力学。因此，提出这样的问题就会显得很自然：量子力学怎样影响时空的几何学特性？这是当今物理学试图解决的最大的问题之一。随机时空好像是答案的一部分。 量子力学的核心是海森堡不确定性原理。该原理指出，每个物理系统都肯定会具有一些残余能量，即使是在肯定零度。这一残余能量被称为零点能，即使是时空中的真空也具有。在真空中，

5、粒子和反粒子持续产生，然后相互碰撞使对方湮灭。粒子的突然产生和消逝导致真空的零点能随时间波动。因为能量和质量是等效的，质量会产生时空弯曲， 真空能量波动会产生时空弯曲的波动，而这会造成时空中两点之间距离的改变。这就意味着，在小尺度上，时空是随机而无序的。 假如我们在一个不那么小的范围里看量子波动，这一区域内的波动倾向于抵消。但是假如我们在一个无限小的范围里考察这个现象，比如一个点，我们就会发觉无限的能量。这不禁让人 思索：在什么尺度上才能捕获到我们感爱好的物理现象？它当然要足够小，但也不能小到它的能量浩大到无法把握。什么才是这一距离最合适的测量单位呢？ 普朗克探究了距离的自然单位是什么的问题，

6、这一自然单位应当基于普适常数。 为了回答这一问题，我们采纳普朗克的思索方式。普朗克是量子力学之父，他曾经探求过距离的自然单位是什么的问题。所谓自然单位，就是不基于米的仲裁标准。他提出了一种运用普适常数的自然单位：真空中的光速;表示重力场强度的重力常数;普朗克常数，该常数表示粒子能量和频率之间的关系。普朗克确定了我们现在知道的普朗克长度lp，数值为hG/c3的平方根。普朗克长度是一个特别短的距离，也许为10-35米，是一个质子直径的亿兆分之一。这个距离太小了，目前无法被测量，或许恒久都无法被测量。 但是普朗克长度具有重要意义。弦理论对点已经有了完整的探讨，并且认为普朗克长度是已知可能的最小距离。

7、更新的圈量子引力理论提出了相同的说法。微小体积内能量被无限放大的问题得以避开，因为依据这一理论，这种微小体积根本不存在。 普朗克长度还有另外一个重要的应用。相对论指出，身处快速行进的参考系中的视察者测量的距离会缩短，即所谓的洛伦兹收缩。但是普朗克长度是唯一可以通过c、G和h这样的常数推算 出的距离， 所以在任何一个参考系中的测量值都是相同的，不会受到洛伦兹收缩的影响。但这意味着，在这一尺度上，相对论也不适用。我们须要新的理论来说明这一现象，而随机时空理论很可能供应了这样一个说明。普朗克长度无法因洛伦兹收缩而变短，表明它是长度的一个基本量子，或者说单位。因此，普朗克长度很可能是时空的最小尺寸，比

8、普朗克长度更小的尺寸可以被认为是不存在的。 现在，我们最终可以描述随机时空了。首先，它是颗粒状的，尺寸大约相当于普朗克长度。 其次，这些颗粒之间的距离定义并不明确。量子力学指出，一个物体越大，它的量子学特性就越不明显。因此，我们可以认为时空中某一区域内的质量增加，这一区域的随机性就越小。随机时空认为，假如宇宙中没有质量，时空就是平坦的，犹如爱因斯坦相对论指出的那样。但这是完全随机的，无法被实际确定。假如没有质量，我们还要空间干什么？ 第三，在随机时空理论中，因为在这一尺度上的随机特性，这些粒子可以随意飘动，这一点和弦理论以及圈量子引力理论不同。假如把随机时空中的粒子描述为一盒鹅卵石，随机性就像

9、稍微晃动这个盒子，让石子们来回移动。我们希望这些活动的体积元素能够说明在普朗克长度上相对论不适用的问题。这是因为相对论是一种建立在牛顿第零定律之上的理论，它须要连贯流畅的数学函数，但在普朗克长度上，这种流畅的函数不再适用。 牛顿可能会感到惊讶。 他认为空间和时间是一个没有特征的空虚，只是让他的三大运动定律能够适用的框架，而这也的确见于每天在我们身边上演着的一切。随机时空理论却设定了一个不确定的时空，这个时空超出了连贯流畅的函数所能描述的范围。 量子力学的希望在于，其函数能够产生于时空本身的特征，像一根扎根地下的支柱，而不是随机搭建的屋顶。 卡尔弗里德里克，理论物理学博士，先在美国航空航天局做探讨员，后供职于康奈尔高校。目前在一家高科技创业公司工作，也是一位专业科普作家。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页