宇宙如何構成微觀尺度上的無序微粒

1、https:/宇宙如何構成宇宙如何構成:微觀尺度上的無序微粒微觀尺度上的無序微粒科學中最關鍵卻未受到充分賞識的成就之一，就是用數(shù)學方法描述物理宇宙。具體講，就是對連貫而流暢的數(shù)學函數(shù)的運用，比如用正弦函數(shù)來描述光和聲音。這一做法有時候被稱作牛頓運動第零定律，以向運用了類似函數(shù)的著名的牛頓三定律致敬。然而，近期一小群研究人員發(fā)現(xiàn)，時空本身具有內(nèi)在的隨機性，這使得牛頓第零定律在小尺度上也不再適用了。讓我們來探究這一發(fā)現(xiàn)的意義。首先，什么是時空？你或許還記得在平面幾何當中，如果取兩個點，通過第一個點畫 x 軸和 y 軸（也就是把該點當作原點），那么這兩個點之間的距離就是 x2+y2 的平方根，其中

2、x 和 y 是第二個點的坐標。在三維空間中，對應的距離用 x2+y2+z2 的平方根表示。這些距離是恒定的，它們的值不會因為坐標的畫法而改變。那么，如果把時間作為第四維呢？四維時空中的一個點被稱作一個“事件”：它在空間上的位置由 x 軸、y 軸和z 軸確定，在時間上的位置由 t 確定。那么，兩個“事件”之間的距離是多少？用類推的方法，很容易認為這一距離是 x2+y2+z2+t2 的平方根，但事實并不是這樣。如果采用不同的坐標系，這一距離就會變化，所以它事實上并不能真的被看作距離。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，恒定距離是 x2+y2+z2-ct2 的平方根， 其中 c 代表光速。如果你采用不同的坐標系，x、y、

3、z 和 t 的值可能發(fā)生變化，x2+y2+z2-ct2的平方根卻不會。愛因斯坦通過一個絕妙而且高度復雜的邏輯鏈推理得出，引力的實質(zhì)是時空自身的幾何學特性 它的曲率。而這一曲率是質(zhì)量造成的。愛因斯坦說，如果宇宙中沒有質(zhì)量，那么時空就是平坦的，也就是沒有曲率。想要理解空間的曲率，可以想象一只在球體表面爬行的蟲子。這只蟲子要怎樣才能知道它不是在一個無盡的平面上呢？如果這只蟲子沿一個方向走，它最終會回到最初的地方?；蛘?，如果這只蟲子以正確的角度畫一個坐標軸，它就會發(fā)現(xiàn)從起始點到任一點的距離并不是 x2+y2 的平方根。這只聰明的蟲子或許就會推導出，自己處在一個曲面上。因此，曲率影響兩點之間的距離，而質(zhì)

4、量決定曲率。 在真空中，粒子和反粒子不斷產(chǎn)生。這就是愛因斯坦時空概念的要義。但是他的相對論僅僅是 20 世紀物理學的https:/兩大革命性突破之一，另一項是量子力學。因此，提出這樣的問題就會顯得很自然：量子力學怎樣影響時空的幾何學特性？這是當今物理學試圖解決的最大的問題之一。隨機時空似乎是答案的一部分。量子力學的核心是海森堡不確定性原理。該原理指出，每個物理系統(tǒng)都一定會具有一些殘余能量，即使是在絕對零度。這一殘余能量被稱為零點能，即使是時空中的真空也具有。在真空中，粒子和反粒子持續(xù)產(chǎn)生，然后互相碰撞使對方湮滅。粒子的突然產(chǎn)生和消失導致真空的零點能隨時間波動。因為能量和質(zhì)量是等效的（E=mc2

5、），質(zhì)量會產(chǎn)生時空彎曲， 真空能量波動會產(chǎn)生時空彎曲的波動，而這會造成時空中兩點之間距離的變化。這就意味著，在小尺度上，時空是隨機而無序的。如果我們在一個不那么小的范圍里看量子波動，這一區(qū)域內(nèi)的波動傾向于抵消。但是如果我們在一個無限小的范圍里考察這個現(xiàn)象，比如一個點，我們就會發(fā)現(xiàn)無限的能量。這不禁讓人思考：在什么尺度上才能捕捉到我們感興趣的物理現(xiàn)象？它當然要足夠小，但也不能小到它的能量龐大到無法把握。什么才是這一距離最合適的測量單位呢？ 普朗克探究了距離的自然單位是什么的問題，這一自然單位應該基于普適常數(shù)。為了回答這一問題，我們采用普朗克的思考方式。普朗克是量子力學之父，他曾經(jīng)探求過距離的自然

6、單位是什么的問題。所謂自然單位，就是不基于米的仲裁標準。他提出了一種使用普適常數(shù)的自然單位：真空中的光速（c）;表示重力場強度的重力常數(shù)（G）;普朗克常數(shù)（h），該常數(shù)表示粒子能量和頻率之間的關系。普朗克確定了我們現(xiàn)在知道的普朗克長度 lp，數(shù)值為 hG/c3 的平方根。普朗克長度是一個非常短的距離，大概為 10-35 米，是一個質(zhì)子直徑的億兆分之一。這個距離太小了，目前無法被測量，或許永遠都無法被測量。但是普朗克長度具有重要意義。弦理論對點已經(jīng)有了完整的研究，并且認為普朗克長度是已知可能的最小距離。更新的圈量子引力理論提出了相同的說法。極小體積內(nèi)能量被無限放大的問題得以避免，因為根據(jù)這一理論

7、，這種極小體積根本不存在。普朗克長度還有另外一個重要的應用。相對論指出，身處快速行進的參考系中的觀察者測量的距離會縮短，即所謂的洛倫茲收縮。但是普朗克長度是唯一可以通過 c、G 和 h 這樣的常數(shù)推算出的距離， 所以在任何一個參考系中的測量值都是相同的，不會受到洛倫茲收縮的影響。但這意味著，在這一尺度上，相對論也不適用。我們需要新的理論來解釋這一現(xiàn)象，而隨機時空理論很可能提供了這樣一個解釋。普朗克長度無法因洛倫茲收縮而變短，表明它是長度的一個基本量子，或者說單位。因https:/此，普朗克長度很可能是時空的最小尺寸，比普朗克長度更小的尺寸可以被認為是不存在的?，F(xiàn)在，我們終于可以描述隨機時空了。

8、首先，它是顆粒狀的，尺寸大約相當于普朗克長度。其次，這些顆粒之間的距離定義并不明確。量子力學指出，一個物體越大，它的量子學特性就越不明顯。因此，我們可以認為時空中某一區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量增加，這一區(qū)域的隨機性就越小。（這一點和相對論相似。相對論指出，一個區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量越多，它產(chǎn)生的曲率就越高。）隨機時空認為，如果宇宙中沒有質(zhì)量，時空就是平坦的，如同愛因斯坦相對論指出的那樣。但這是完全隨機的，無法被實際確定。如果沒有質(zhì)量，我們還要空間干什么？第三，在隨機時空理論中，因為在這一尺度上的隨機特性，這些粒子可以隨意飄動，這一點和弦理論以及圈量子引力理論不同。如果把隨機時空中的粒子描述為一盒鵝卵石，隨機性就像輕微晃動這個盒子，讓石子們來回移動。我們希望這些活動的體積元素（鵝卵石）能夠解釋在普朗克長度上相對論不適用的問題。這是因為相對論是一種建立在牛頓第零定律之上的理論，它需要連貫流暢的數(shù)學函數(shù)，但在普朗克長度上，這種流暢的函數(shù)不再適用。牛頓可能會感到吃驚。 他認為空間和時間是一個沒有特征的空虛，只是讓他的三大運動定律能夠適用的框架，而這也確實見于每天在我們身邊