为什么物理学在普朗克尺度上崩溃？

对物理学做出有意义的预测的地方有限制：超过普朗克长度、时间或能量。这里是为什么我们不能更进一步走。

STARTS WITH A BANG — APRIL 28, 2025

Ethan Siegel

弦理论的中心想法是我们知道的所有量子都被微小的在微小的尺度上以各种方式振动的弦描述：远低于从来已经被探测过的。弦理论是对量子引力是一种框架上的尝试，可以对找到在跨普朗克尺度上宇宙中什么是真实的唯一可行候选。Credit: Berkeley Center for Cosmological Physics

关键要点

我们的物理学法则应用在整个宇宙所有时间和所有地方：从大爆炸到黑洞和两者之间的一切地方。

然而，这些法则只适用某一体制内。在足够高的能量，在足够短的时间尺度上，或在足够小的距离这些法则崩溃。

但为什么这些法则崩溃呢？虽然许多指向基本常数的结合，但有一个更深的直接走到现实的心脏的理由。

在任何时间和地点，物理学的法则坚守着。

在热大爆炸的开始，宇宙正在迅速的扩张，并充满有高能量、非常密集的、超相对论性量子。一个辐射统治的早期阶段让位给几个后来的阶段，在这些阶段辐射处于次统治的，但从未完全的消失，而随着时间物质聚块成气体云、恒星、星团、星系和甚至更丰富的结构，所有时间宇宙继续膨胀。众所周知，物理学的法则在任何时间和地点都应用到这幅图片。Credit: CfA/M. Weiss

我们的宇宙包含标准模型粒子，加上凡是任何暗物质和暗能量的。

此图显示标准模型的结构（以一种更完整地显示关键关系和模式并比基于4×4平方粒子的更熟悉的图像更少误导的方式）。特别的这张图描述标准模型中的所有粒子（包括它们的字母名称、质量、自旋、手性、电荷以及与规范玻色子的相互作用：即有强力和电弱力）。它还描述希格斯玻色子的角色，以及电弱对称性破坏的结构，表明希格斯真空期望值如何打破电弱对称性，以及剩余粒子的属性如何因此变化。中微子的质量仍然无解释。Credit: Latham Boyle and Mardus/Wikimedia Commons

它们经由四种基本力相互作用：引力、电磁力加上两种核力。

统一的想法坚持所有三种标准模型的力或许甚至在更高能量上的引力都被一起统一在一个单一的框架中。这个想法，虽然它仍然流行和数学上令人信服，但没有任何直接证据支持它的与现实的相关性。在所有统一的可能性中，仅电弱统一已经被建立。Credit: ABCC Australia, 2015

扩展潜在的存在：大统一、弦理论、超对称、一个“第五力”等。

标准模型粒子及它们的超对称对应粒子。这些粒子的略不到50%已经被发现，刚好50%以上的粒子已经从未显示过一个它们存在的痕迹。超对称是一个希望来改进标准模型的想法，但它还没有取得取代主流科学理论的所有最重要一步：让它的新的预测被实验生出来。Credit: Claire David

然而，有一个在那里一切崩溃的尺度：普朗克尺度。

我们在宇宙中已经交互过的物体范围从非常大宇宙尺度下到10^-19米，有被大型强子对撞机创下的最新记录。下到热大爆炸取得的尺度（大小）和向上（能量）有很长的道路，这只比普朗克能量更低约1000倍一个因素。如果标准模型粒子在本质上是复合的，高能量探测器可能揭示这一点，但“基本的”一定是今天的共识立场。

Credit: School of Physics UNSW

在足够高的能量、足够短的距离或剪短的时间尺度下，做出物理学预测变得不可能的。

虽然我们现在知道光以及所有量子，特定的物理环境下能被描述为既是波又是粒子，但有一个对一个波长如何小的限制（或任何长度尺度依赖属性）能够是并仍然有物理意义：普朗克规模或约10^-35米。Credit: MikeCS images / Adobe Stock

这些限制由三个基本常数：c、G和设定。

光只不过是一种电磁波，让同相振荡电场和磁场垂直于光的传播的方向。波长越短，光子能量越大，但更可怀疑它的是在光通过一个介质的速度中要变化。Credit: And1mu/Wikimedia Commons

结合光速、引力常数和简化的普朗克常数创造普朗克单位。

马克斯·普朗克往往信誉为量子物理学的创始人，因为他早期认识到光以及物质被量子化成离散的能量包，是我们现代在一个基本层面上理解现实的关键主旨之一。有许多以他的名字命名的量子属性，比如普朗克常数(h)和在量子物理方程中如此频繁发现的简化的普朗克常数（）。Credit: Bettman Collection / Getty Images

普朗克长度是约~10-35 m：√（G/c³）。

大小、波长和温度/能量尺度对应到电磁波谱的不同部分。你不得不走到更高的能量，更短的波长来探测最小的尺度。在可以想象的最小/最短的尺度上，下到大约在10^-35米左右，物理学的法则不再有意义。Credits: NASA and Inductiveload/Wikimedia Commons

普朗克能量是约10＾19 GeV：√（c/G）。

宇宙射线是源自整个宇宙的超高能量粒子，包括从太阳发放的粒子，撞击所有存在的原子核。在地球上，它们降落在高层大气层并产生新粒子的阵雨，但甚至这些粒子上限在约10^12 GeV左右，或者一个比普朗克能量更低几百万倍的因素。Credit: Asimmetrie/INFN

而普朗克时间是约10-43 s：√（G/c）。.

这张图描画位置和动量之间固有的不确定性关系，尽管能量和时间一个类似的关系存在。当一个被更准确的知道时，另一个内在的不太可能被准确的知道。每次你准确的测量一个，你确保对应的补充量一个更大的不确定性。在足够小的被称为普朗克时间的时间尺度上，一个典型的能量波动将足够大到来触发一个黑洞的创造：该理论中的一种病理学。Credit: Maschen/Wikimedia Commons

量子物理学和广义相对论之间的一个基本不相容性设定这些限制。

虽然在一个基本层面上，宇宙是由点一样量子粒子组成，但它们聚集在一起来创造出有限大小和质量的物体，占据特定量的体积。这位艺术家的插图显示几个电子环绕一个原子核，在那里电子是一个基本粒子，但原子核能被分解成仍更小、更基本的成分。是否在小于目前已知的亚原子粒子尺度上有结构仍然有待发现。Credit: Shutterstock

在量子物理学中，波一样的行为是不可避免的。

德布罗意波的想法是每个物质粒子也能展示波一样行为，波的属性被系统的动量和能量等量给出。从电子到人类一切事物在适当的条件下像波一样行为。一个粒子的动量越低（即速度和质量的结合），它的德布罗意波长就越长。Credit: Maschen/Wikimedia Commons

所有的粒子，有或没有质量占有固有的波长。

虽然可见光给我们一个宇宙中物体的丰富和变化的观望，但它只代表电磁光谱的一个微小部分。从0.4到0.7微米的范围，是人类视觉是可以感知的，与全光谱可能的的相比只是一个很小的波动。然而，有一个截止点：波不能在大于宇宙地平线尺度上被探测到，而且在比小于普朗克长度的尺度上（据我们所知）确实也不存在。Credit: Philip Ronan/Wikimedia Commons

更短的距离隐含着更大的能量和更短的时间尺度。

不像牛顿有过的沿视线连接任何两个质量的瞬时力一样，爱因斯坦感知引力为一种翘曲的空时织造，按照广义相对论在那里单个粒子移动通过那个弯曲的空间。在爱因斯坦的图片中，引力毕竟不是瞬间的，而是一定以有限的速度传播：引力的速度与光速相同。与传统的波不同，毕竟不需要介质让这些波来旅行通过。Credit: LIGO scientific collaboration, T. Pyle, Caltech/MIT

但在广义相对论中，局部化质量/能量有限制。

罗杰·彭罗斯对黑洞物理学最重要的贡献之一是演示一个在我们的宇宙中现实的天体如一颗恒星（或任何物质的集合）能形成一个地平线和所有绑定到它的物质将如何不可避免的遭遇中央奇点。一旦一个事件地平线形成，一个中心奇点的发展不仅是不可避免的，而且是极其迅速的。Credit: J. Jarnstead/Royal Swedish Academy of Sciences; annotations by E. Siegel

超过它，一个事件地平线形成，创造一个黑洞。

在一个黑洞附近，空间要么像一个移动的人行道要么一个瀑布一样流动，这取决于你要如何可视化它。在事件地平线上，即便你以光速跑（或游泳），将不会克服空时的流动，它把你拖进在中心的奇点。然而，在事件地平线之外，其他力（如电磁力）能频繁的克服引力的拉力，甚至造成注入的物质来逃逸。旋转的黑洞占有环一样奇点，而不是点一样的奇点。Credit: Andrew Hamilton/JILA/University of Colorado

但在普朗克时间下，这些黑洞经由霍金辐射立即的衰变。

当一个黑洞要么以非常低的质量形成要么充分的蒸发以便只剩下少量的质量时，源自事件地平线附近弯曲的空时量子效应将造成黑洞经由霍金辐射迅速衰变。黑洞的质量越低，衰变就越快，直到在最后一次高能辐射的“爆发”中彻底蒸发为止。Credit: ortega-pictures/Pixabay

成功的量化引力，有一天应该揭示过渡普朗克体系。

一般假设在某种水平上引力将是量子的，就像其他的力一样。虽然计算黑洞的衰变的半经典近似涉及在爱因斯坦的弯曲空间经典背景中进行量子计算，但这种方法对描述信息编码称向外走辐射可能不是实在的。对于这个问题，就像过渡普朗克问题一样，引力和量子物理必须被一起考虑。Credit: Aurore Simmonet

大多寂寞的《星期一》以图像、视觉和不超过200个单词告诉一个天文故事。

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