普朗克尺度
在粒子物理与物理宇宙学等领域中，普朗克尺度（Planck scale）是考虑引力的量子效应的尺度，涵盖多种物理量；此尺度比量子力学应用的尺度还要小很多，小到目前描述亚原子粒子的量子场论变得不适用[1]，而重力的不可重整化也成了问题。普朗克单位制属于一种自然单位制，此衡量物理量的定制，因纪念马克斯·普朗克而得名。
例如普朗克尺度下的能量，是指约 1.22 × 1019GeV量级的能量尺度（能标）；依照质能等价原理，其相当于普朗克质量 2.17645 × 10−8千克。普朗克尺度也包括长度（普朗克长度）、时间（普朗克时间）的尺度[2][3]。
在普朗克尺度中，重力的强度变得与其他基本作用力相当，理论物理学家也认为所有的基本作用力在此统合，虽然详细的机制仍不清楚。普朗克尺度因此是量子引力效应不可忽略的尺度。待发展的量子引力理论则变得必要，目前的研究方案包括弦论、M理论、循环量子引力、非交换几何、因果集以及p-adic数学物理。[4]
| 物理量 | ! SI单位 |
|---|---|
| 普朗克时间 | 5.39121 × 10−44 s |
| 普朗克质量 | 2.17645 × 10−8 kg |
| 普朗克长度 (ℓP) | 1.616252×10−35 米 |
理论概念 编辑
透过不确定原理，普朗克长度与普朗克能量相关联。在这尺度下，大小与距离的概念崩解，量子不确定性变成绝对关键。黑洞的史瓦西半径约略与这尺度下的康普顿波长相当，运用足够能量的光子来探测普朗克尺度可能无法产生信息；能精准测量普朗克尺度的光子，其能量会产生新的粒子，而这粒子（普朗克粒子）的质量又大到可产生黑洞，从而扭曲该区域的时空并吞噬该光子。也因此能调和广义相对论与量子力学的量子引力理论才能完整地解释这尺度下的物理。普朗克尺度的动力学对宇宙学也十分重要，原因是宇宙初诞生时期的尺度即是普朗克尺度，对宇宙演化过程有一定影响，这个时期称为普朗克时期。
探测普朗克尺度的相关实验 编辑
探测普朗克尺度动力学的实验相当困难，这尺度的能量远超过现行粒子加速器。另一个方向是天文学观测，因为宇宙生成时期的能量尺度为普朗克尺度，而可能残留一些证据可在今日观察到，相关天文物理研究包括WMAP探测器，让物理学家可以探究大爆炸后最初的萬億分之一秒，此时期发生电弱相变。此时期离普朗克时期尚远，更新的探测器包括Planck Surveyor、IceCube[5]或可进一步发现更多的天文物理证据。
相对论性重离子对撞机的结果发现了夸克-胶子等离子体的流体特性，大强子对撞机设施对于相关研究更能加强对普朗克尺度物理的认识。然而目前为止仍未有粒子物理实验能精准地探测普朗克尺度物理，虽然如此，所获得的实验数据仍有意义，用以筛选可行宇宙暴胀理论，以及淘汰标准模型以外一些不适合的延伸理论。
相关条目 编辑
参考文献 编辑
- ^ 张天蓉. 永恒的诱惑：宇宙之谜. 清华大学出版社. 2016. ISBN 9789576819612.
- ^ Gross,DJ,吴江海.我们能达到普朗克尺度吗？[J].世界科学, 1990, 12(9):1.DOI:CNKI:SUN:SJKE.0.1990-09-002.
- ^ https://worldscience.cn/c/1990-09-25/636415.shtml
- ^ Number Theory as the Ultimate Physical Theory, Igor V. Volovich, empslocal.ex.ac.uk/~mwatkins/zeta/volovich1.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）, 10.1134/S2070046610010061[永久失效链接]
- ^ IceCube home page. University of Wisconsin-Madison. [8 April 2014]. （原始内容存档于2021-03-27）.
外部链接 编辑
- （英文）The Planck scale: relativity meets quantum mechanics meets gravity （页面存档备份，存于互联网档案馆） from 'Einstein Light' at UNSW
- （英文）The Planck Era （页面存档备份，存于互联网档案馆） from U of Tennessee Astrophysics pages
- （英文）Higher-Dimensional Algebra and Planck-Scale Physics （页面存档备份，存于互联网档案馆） by John C. Baez
- （英文）Six easy roads to the Planck scale （页面存档备份，存于互联网档案馆）