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宇宙中会存在一个最小的距离尺度吗？
当我们考虑时空的概念时，我们通常将空间想象成三维的网格，这无疑是一种过度简化的框架。但时空到底是离散还是连续的呢？是否存在一个最小的可能长度呢？
100多年前，物理学家普朗克（Max Planck）提出，引力常数G、普朗克常量?、真空中的光速 c 这三个常数可以组合得到普朗克长度。
一旦超越普朗克长度的极限，我们现有的物理学定律都将失效。
而量子引力理论则试图在普朗克尺度附近，将广义相对论与量子力学结合起来，从而准确地描述我们所在的宇宙。
如果要想了解宇宙是如何运作的，我们就必须从基本层面来进行研究。
因为宏观物体是由粒子组成的，而粒子只能在亚原子尺度上进行探测。
为了研究宇宙的属性，我们必须在尽可能小的尺度上观察最小的构件。
只有了解了它们在基本层面上的性质，我们才有可能了解它们如何组合起来创造出我们所熟悉的人类尺度的宇宙。
但是我们对小尺度宇宙的认识不能延伸到任意小的距离尺度。
一旦小于10^-35米，即普朗克距离尺度，那么传统的物理定律就不再有意义。
但为什么一旦小于某个长度范围，我们就不能给出任何有物理意义的结论呢？下面我们将回答这个问题。
我们通常将空间想象成三维网格，当我们考虑时空的概念时，这是一个过度简化的基础框架。
时空是离散还是连续的，以及是否存在最小的可能长度，这些问题仍然没有答案。
我们只知道，一旦小于普朗克距离尺度，我们将无法准确预测任何事情。
| 图片来源：ReunMedia / Storyblocks
我们可以思考一下量子物理学的一个经典问题：盒子里的粒子问题。
随意想象一个粒子，想象它以某种方式被禁锢在一个小空间里。
在这个量子版本的躲猫猫游戏中，我们要问一个最基本的问题：“这个粒子在哪里?”
你可以通过测量确定粒子的位置，测量会给你一个答案。
但是这个测量存在固有的不确定性，这种不确定性是由量子效应造成的。
那么，这种不确定性有多大呢？答案是，它和?和L都有关，其中?是普朗克常量， L是盒子的大小。
在我们进行的大多数实验中，与我们实际能够测量的任何距离尺度比起来，普朗克常量都很小，因此，当我们分析结果时，与?和L都有关的这种固有的不确定性是很小的。
但是如果 L 很小呢？如果 L 与 ? 的大小相当，甚至更小呢？
能级和电子波函数与氢原子内的不同状态相对应，其他原子也有类似的构型。
能级是以普朗克常量的倍数量子化的，轨道和原子的大小则是由基态能量和电子质量决定的。
附加的效应很微弱，但是能以可测和可量化的方式改变能级。
原子核的势就像一个“盒子”，禁锢了电子的物理范围，类似于“盒中粒子”的思想实验。
| 图片来源：维基共享 PoorLeno
那么这个临界长度是多少呢？普朗克尺度由物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在100多年前首次提出。普朗克研究了自然界的三个常数：
（1）G，牛顿和爱因斯坦的引力理论中的万有引力常数，
（2）?，普朗克常量，自然界的基本量子常数，
（3）c，真空中的光速。
如果一个粒子真正达到了这种能量，它的动量会非常大，以至于能量-动量不确定性会使这个粒子与黑洞难以区分。
正是在这个尺度上，我们的物理定律不再有效。
当我们更深入地分析时，情况会变得更糟。
如果考虑空间（或时空）本身固有的量子涨落，还有一个能量-时间不确定关系。
距离尺度越小，相应的时间尺度也越小，这意味着更大的能量不确定性。
在普朗克距离尺度下，这意味着黑洞和量子虫洞的出现，这是我们无法研究的。
如果进行高能碰撞，只会产生更大质量（和更大尺寸）的黑洞，然后这些黑洞会通过霍金辐射蒸发掉。
你可能会说，也许这就是我们需要量子引力的原因。
当你把我们所知的量子规则应用到我们所知的引力定律时，就会遇到量子物理学和广义相对论之间的基本不兼容性。
但还不仅如此。
黑洞可能是我们探索量子引力效应的最佳选择，因为在距离黑洞中心奇点非常近的空间，量子引力效应被认为是非常重要的。
然而，一旦小于某个距离尺度，我们将无法准确描述宇宙，即便在理论上也无法做到。
对物理学家们来说，是否存在一个最小的距离尺度，在那里现有的物理定律是有意义的，仍然是一个有待解决的难题。
| 图片来源：C. Henze，美国宇航局艾姆斯研究中心
能量就是能量，我们知道它会使空间弯曲。
一旦你开始尝试在普朗克尺度或附近进行量子场论计算，你就不再知道要在什么类型的时空中进行计算。
即便在量子电动力学或量子色动力学中，我们可以把这些粒子所在的时空背景看作是平坦的。
即便在黑洞周围，我们可以使用已知的空间几何学。
但是在这样的超强能量下，空间的曲率是无法获知的。
我们不能计算任何有意义的东西。
量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。
经典引力的量子修正在图中绘制为白色的圈图。
空间（或时间）本身是离散的还是连续的，引力是否是量子化的，我们所知的粒子是否是基本的，这些问题都还没有定论。
但如果我们想得到一个基本的万物理论，那么它必须包括量子化场。
| 图片来源：美国SLAC国家加速器实验室
在足够高的能量下，或者在足够小的距离下，或者在足够短的时间内，我们所知的物理定律会失效。
我们用来进行量子计算的空间背景曲率是不可靠的，不确定性关系使得不确定性比我们所能做出的任何预测都要大。
我们所知的物理学不再适用，这就是我们所说的“物理定律失效”的意思。
但也许还有一个办法可以解决这个难题。
有一个早已提出——实际上是从海森堡开始——的想法提供了一个解决方案：也许空间本身存在一个基本的最小长度。
没有任何类型的物质、能量或曲率的平坦空间的一种表示。
如果这个空间本质上是离散的，就意味着宇宙有一个最小长度。
至少在理论上，我们应当能设计一个实验来揭示这种特性。
当然，一个有限的最小长度自身就会产生一系列问题。
在爱因斯坦的相对论中，你可以想象在任何地方放一把尺子，它应当会根据你相对它的移动速度而变短。
如果空间是离散的，并且有一个最小长度，那么不同的观察者——也就是说，以不同速度移动的人们——彼此之间将会测量到不同的基本长度！
这有力地表明，存在一个“特权”参照系，在其中以某个速度穿过空间将有最大的可能长度，其他所有的都会短一些。
这意味着我们现在认为是基本的一些东西，例如洛伦兹不变性或定域性，肯定是错误的。
同样，离散化的时间也给广义相对论带来了很大的问题。
不过，可能真有一种方法能测试是否存在一个最小长度。
物理学家雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）在去世前三年提出了一个绝妙的实验构想。
如果让一个光子穿过晶体，会使得晶体移动一点点。
由于光子的能量可以（连续）调节，而且与光子的动量相比，晶体的质量可以非常大，因此，我们可以检测晶体是以离散的“步”移动还是连续移动。
对于足够低能量的光子，如果空间是量子化的，晶体要么移动一个量子步，要么完全不移动。
目前还无法得知，在距离尺度小于 10^-35米的情况下会发生什么，也无法得知，在时间尺度小于 10^-43秒的情况下会发生什么。
这些值是由支配我们宇宙的基本常数设定的。
在广义相对论和量子物理学的背景下，如果超越这些极限，从我们的方程中就只能得出毫无意义的结论。
也许引力的量子理论会揭示出在超越这些极限时宇宙的性质，也许关于时空本性的一些基本范式的转变会向我们展示一条新的前进道路。
然而，如果基于我们目前所知来进行计算，那么在距离和时间上，就无法低于普朗克尺度。
这方面可能会有一场革命，但目前还没有迹象告诉我们革命会发生在哪里。
宇宙起源假说
宇宙是物质世界,它处于不断的运动和发展中。
《淮南子·原道训》中说:“四方上下曰宇,古往今来曰宙,以喻天地。
”即宇宙是天地万物的总称。
科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的?这个问题直到现在仍然没有完全满意的答案。
人们曾经提出过许多学说,最有影响的是“宇宙大爆炸说”,它提出最早,在当代天文学上最受重视;其次是“稳态理论”及“虫洞喷发说”。
(一)宇宙起源——大爆炸理论
大爆炸理论认为宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。
在爆炸发生之前,宇宙内的所存物质和能量都聚集在一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大。
大爆炸使物质四散出击,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降;宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的(图1-2)。
图1-2 宇宙大爆炸
根据大爆炸理论,在宇宙的早期,温度极高,约在100亿开以上,物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。
宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。
因为整个体系在不断膨胀,温度很快下降,当温度降到10亿开左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。
温度进一步下降到100万开以后,早期形成化学元素的过程结束(元素合成理论)。
当温度降到几千开时,辐射减退,宇宙间的气态物质,逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙。
大爆炸理论认为,宇宙起源于一个单独的、无维度的点,即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。
“大爆炸宇宙论”是1927年比利时数学家勒梅特提出的,他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。
1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人,又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后,经一系列元素演化,到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。
但是该理论存在许多使人迷惑之处。
宏观宇宙是相对无限延伸的。
大爆炸理论认为宇宙当初仅仅是一个点,而它周围却是一片空白,将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。
况且从能量与质量的关系考虑,一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢?
人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。
但宇宙中天体的运动速度是不同的,在宇宙范围,时间没有衡量标准。
譬如,地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。
既然年的概念对宇宙而言并不存在,大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢?
有科学家声称:宇宙膨胀达到极点时将又发生一场大爆炸,如同黑洞的形成过程一样,宇宙将变成一个高密度、小体积的球体,缩小到一定程度后,将再次发生大爆炸。
根据能量守恒定律,宇宙的能量并没有消亡。
但是,没有人能解释,大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等,都像上次一样(几百几千亿年以后,又有太阳系,又有地球,又有中国,又有你),还是重新排列。
不久前有美国科学家宣布,宇宙的演化过程还可持续大约240亿年,比先前估计的110亿年增加了一倍有余。
(二)宇宙起源——稳态理论
稳态理论现在受到普遍怀疑。
该理论认为在星系之间的膨胀空间中新物质会产生出来。
若干世纪以来,很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外,基本没有什么变化。
宇宙不需要一个开端或结束。
即使是在发现宇宙正在膨胀之后,这种想法也没有被放弃。
托马斯·戈尔德、赫尔曼·邦迪及弗雷德·霍伊尔于20世纪40年代后期提出,物质正以恰当的速度不断创生着,这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡,从而使宇宙中的物质密度维持不变。
这种状态从无限久远的过去到现在一直存在,并将永远地继续下去。
宇宙在任何时候,平均来说始终保持相同的状态。
稳态理论所要求的创生速率很小,每100亿年中,在1立方米的体积内,大约创生1个原子(图1-3)。
稳态理论的优点之一是它的明确性,它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的。
也正因如此,它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。
当宇宙背景辐射被发现后,这一理论基本上已被否定。
图1-3 稳态理论
(三)宇宙起源——虫洞喷发说
虫洞喷发说认为:我们现在的宇宙起源于一次时空之门的开启。
在许许多多平行宇宙中,有一个极其普通的平行宇宙。
在这个宇宙中,质量最大的一个黑洞不断地吞噬宇宙中的其他天体,它的质量不断增大,大到其万有引力可以摧毁一切物质形态,首先将其核心变为能量体,能量逐渐积蓄,最终冲破其外壳,向外释放能量,形成虫洞,时空之门打开。
当能量释放完全后,虫洞停止喷发,时空之门关闭。
喷出来的高能粒子,经过漫长的演变后,形成了我们现在所生存的宇宙。
那个喷发的虫洞则变为宇宙中的一个普通的天体,这是我们不能找到宇宙中心的原因(图1-4)。
(四)宇宙起源——宇宙循环说
长期以来,“大爆炸”宇宙诞生理论一直被天文学界普遍认同,但近期哈勃太空望远镜拍摄的宇宙深处的照片却让科学家们对“大爆炸”理论打上了一个重重的问号。
“哈勃”太空望远镜本次拍摄到了一些宇宙深处的星体,这些星体大概形成于宇宙诞生后的5亿年内(约130亿年前)。
然而,这些星体的数量却远远少于科学家们原来的估计。
哈勃太空望远镜拍摄的这些照片(图1-5)可以说明以下两点:要么大爆炸发生后恒星物质的形成并没有科学家们原来设想的那么“积极”,这并不符合现阶段通行的理论;要么当时的物理环境与现在截然不同。
图1-4 虫洞喷发说
图1-5 宇宙深处星体
宇宙循环说是一种宇宙起源新说。
宇宙中大多星球都会发光发热,这些发光发热的星球,由于温度高,表面进行着巨大的物质运动,甚至局部爆炸,如太阳黑子。
星球常常以太阳风等形式,不断地向宇宙空间抛洒颗粒微细的、总质量巨大的物质;恒星不断地向外发射光和热量,也会消耗巨大的物质。
经过几十亿年、上百亿年的演变消耗,会发光的恒星会越来越小,最后发生如超新星爆炸一样的爆炸,消失在宇宙中;或变成白矮星、中子星、黑洞,逐步“蒸发”掉。
恒星在它生存的几十亿、上百亿年的时间,向外发射的光、热,向外抛洒的微细物质,恒星爆炸后的碎片,及恒星“蒸发”的物质,并没有消失,而是在广阔的宇宙空间漫游。
这些在广阔的宇宙空间漫游的能量和物质,在万有引力、太空低温等条件下,经过漫长的岁月,又会逐步聚集成物质团,物质团经过相互吸引和碰撞,逐步聚集成新的星球。
宇宙就这样永不停息地循环着,没有时间上的过去与将来,寿命无限长,空间无边无际、无限宽广,质量上无限大。
人们永远计算不出宇宙究竟有多大,范围有多宽;宇宙究竟生存了多久,还能生存多久。
这就是“宇宙循环论”。
具体到某个星体、星球,可能在它生命终结时会发生爆炸,人类已经观察到某些星体的爆炸,如超新星爆炸。
但整个宇宙却不可能发生爆炸,因为没有任何力量,能把如此广大、无边无际的宇宙物质吸引在一起,形成一个宇宙大星球。
也没有任何力量能把这个假设的、巨大的宇宙大星球炸碎。
因此,大爆炸理论,科学根据不足。
宇宙起源的理论有哪些
一，大爆炸理论。
大爆炸理论认为，宇宙起源于一个单独的无维度的点，即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。
至少是在120~150亿年以前，宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。
二，稳态理论（已经被否定了，不过你要的话就也发一下。
）稳态理论认为，宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化。
宇宙不需要一个开端或结束。
即使是在发现宇宙正在膨胀之后，这种想法也没有被放弃。
这种说法是40年代后期提出的，认为物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生速度刚好使宇宙中的物质密度维持不变。
宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。
稳态理论的优点之一是它的明确性。
它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的 。
也正因如此，它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。
当宇宙背景辐射被发现后，这一理论基本上已被否定。
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