普朗克长度怎么计算出来的 普朗克长度是最小的吗

普朗克长度是怎么算出来的?

1900年,德国物理学家普朗克脱离了经典物理观念的束缚,推导出了黑体辐射经验公式,

即在假定物质辐射的能量不连续的情况下,它的能量只能是某一个最小能量的整数倍。这一理论的得出,开辟了物理学的一个新领域——量子力学。根据普朗克提出的量子学理论,科学家们得出了物理学上最小的距离单位普朗克长度。它由引力常数、光速和普朗克常数的相对数值决定,是物理学意义上最小的距离单位,在这一距离单位下,重力和时空不复存在,量子效应占据支配地位。

普朗克时间和普朗克长度的分别是多少?

普朗克时间为1E-43秒(即10^-43s),普朗克长度约为1.6×10 -35 米。

普朗克长度是量子力学中最小的距离单位,由引力常数、光速和普朗克常数的相对数值决定。普朗克时间则是指时间量子间的最小间隔,等于普朗克长度/光速。

拓展资料

普朗克是旧量子论的创始人,1900年,他为了解释黑体辐射的问题,提出了能量量子化概念。第一次用量子的概念驱散了物理学的一朵乌云。

随后,许多物理单位以他的名字命名。比如普朗克长度,普朗克时间。

人们听到这些物理术语也深感困惑,按照朴素的思想观,任何物体都可以无限细分,没有最小的长度,只有更短的长度。

而普朗克长度规定了物质的最小尺度,如果再小就毫无意义了。

普朗克

今天这篇文章将逐步深入,彻底让你明白普朗克长度的本质

大家先试想一下,我们是如何认识自然的,如何思考世界的?或许你此时在想着应该吃什么饭,怎么赚钱。但是饭菜,金钱这些东西无非就是物质,你能感受到这些物体的存在以及它们的性质,要得益于五大感官。如果没有眼,鼻,耳,肤,舌等感官,那么你的大脑就没有外来信息的摄入,于是意识就是一片空白,也就无法认识世界。

我们人类一开始靠五大感官直接认识世界,而感官有很大的局限性,比如我们看不到银河系外,也看不见细胞以下的世界。但我们可以借用望远镜,显微镜等仪器弥补感官的短板。

人脑对外在事物的认识就是处理感官摄入的信息。人对外在事物的认识必然需要提取一些基本量,比如你看见运动员跑到很快,某人脸比较大或者体格很胖,或者是感叹某个国家经历了战火等等。其对所有事物的认知都包含时间,空间,质量这三个基本要素。

而时间并不可无限细分,普朗克时间就是时间的最小单位了。人们对时空里发生的所有事物的认知,包括直观的物体和抽象的思想,在宏观上体现无法就是无数个普朗克时间和长度的叠加。科学家规定普朗克时间就是:光在真空中传播一个普朗克长度所需的时间。所以搞清普朗克长度就自然明白了普朗克时间了

空间的度量其实就是长度,空间的最小尺度就是普朗克长度

人对事物的认识首先需要了解这个事物所在的空间,除去哲学层面,所有的事物都是物质的,即便是抽象的历史,经济学等思想都是物质的,因为它们研究的是人的社会学,没有物质化的人,哪来抽象化的社会学?

而物质是由什么构成的?现在知道物质构成的最小粒子是夸克,还有不可分的基本粒子。

理论上,人的意识能思考多深,就取决于认知到的物质多么精细。好,我们现在借用了显微镜,了解了原子核内部的构成,人的意识也了解了更小的尺度世界。这一切都得益于测量,如果没有仪器测量原子内部结构,我们就无从得知微观世界的一切现象。

现在试问人类可以把微观世界的尺度研究到多么小的尺度上?

目前人类只能把物质尺度研究到1.616229×10^-35m,这并不是因为技术的限制,而是自然世界规律就是如此,那么我可以说1.616229×10^-35m以下的尺度对于人类来说毫无意义。这就是普朗克长度。

普朗克长度究竟是如何测量的?我尽量通俗一点。

我们都知道,微观粒子具有波粒二象性,也就是说,微观粒子既是波也是粒子。粒子就是波态和粒子态的叠加状态。

如果这个粒子的波长很短,那么频率就大,于是这么粒子就更显得像个粒子,而不是波。如果这个粒子的波长较长,频率就低,于是显得更像个波,而不是粒子。

这种思想我以前多次介绍过,可以通俗的把波粒二象性想象成机械波,如果粒子波粒二象性的波长短,那么波的波峰距离就短,相邻的波就好像挨在一起,于是形成波包,这个波包就像个粒子。波长较长的话,波包就没有了,导致粒子整体就像个波。

这就是波粒二象性,微观粒子同时具有波动性和粒子性,波长较长会导致粒子整体更偏向地呈现出波动性,反之则更偏向粒子性

所有微观粒子都是波粒二象性的,什么电子,光子,中子,夸克等等全都是。而正是这些物质组成了宏观宇宙。我们要认识微观粒子就需要测量它们的位置。

我们怎么测粒子位置呢?

科学家只能用微观粒子测量微观粒子。一般情况下,用于测量的微观粒子是电子。

微观粒子不像宏观物体有棱有角的,测量起来问题不断。

如果我现在要测量x粒子的位置Δx,但由于这个粒子还有波动性,其位置并不固定,我们就只能测量它的位置的一个范围段。

科学家发射电子去测量x粒子的位置。为了不让电子和x粒子剧烈地撞击,科学家让电子的波长比x粒子稍长一点,这样就把x粒子“卡”在电子的波长中了,那么我发射出的电子的波长是多少,那么x粒子的位置范围就是多少。

理论上,我们可以把x粒子的位置测量多么精细呢?

事实上,越精细地测量,就要求我们把电子的波长缩的越短,这样就相当把x粒子“卡”的更紧,测得的位置就更准确。但是电子的波长缩短会导致电子的频率增加,频率大的电子其能量就大,这就难以避免电子撞击被测量的x粒子,导致其动量Δp不稳定了。

这就是不确定性原理。此原理告诉我们:粒子的动量和位置不可同时测得,位置测得越准,其动量越不准,反之亦然。于是位置Δx和动量Δp就有一个关系式:ΔxΔp≥ћ/2。

有的人认为,只要我们放弃粒子的动量,就会把粒子的位置测得无限准,但事与愿违。

想象一下,把粒子的位置测得越准,就需要波长越短的波,这就意味着用于测量的电子的能量越大。

考虑到质能方程E=mc²。如果设被测量的x粒子的质量为m′,它所能释放的所有能量就是m′c²。如果x粒子被电子以与它所能释放的所有能量m′c²撞击了,则就会导致x粒子吸收能量,生成另一个x粒子。那还测量毛线,最后都不知道到底测量的是谁!

在这个层面上,测量就毫无意义了,所以这也是人类认识微观粒子位置的底线了。

电子波长为多少才会导致被测量粒子恰好能生成同样的粒子呢?

由不确定性原理ΔxΔp≥ћ/2,于是Δp≥ћ/2Δx。

微观粒子的动量Δp=mv必须考虑相对论效应,因为微观粒子的运动速度一般都很快,其速度越快,质量就越大。

动量Δp=mv,式中质量m随着速度v的增加而增加,根据狭义相对论的质速关系(专栏里有推导过程,很简单),m=m0v/(1-v²/c²)½代入到不确定原理公式中。得出当动量Δp≯mc时,能量的不确定性才会大于m′c²。

位置Δx≥ћ/2Δp,Δp为mc,于是Δx≥ћ/2mc, 那么ћ/2mc就是粒子位置的空间范围。这时候我用大于x粒子位置范围一倍的电子波长测量它,则电子的波长就是h/mc。这就是康普顿波长,是人类测量粒子位置的极限波长。这个波长的大小取决于粒子的质量,因h/mc中的h是普朗克常数,c是光速,也是常数,只有质量m是变量。

这就是普朗克质量,它是一个史瓦西半径2Gm/c²等同于康普顿波长h/mc的黑洞所带有的质量。也就是说,一个粒子理论上可以被压缩到的最小状态,最后就成了黑洞,测量它就不能获得意义。

那么这个黑洞的半径就是普朗克长度。史瓦西半径和康普顿波长结合就是普朗克长度(ћG/c³)½。式中ћ是约化普朗克常数,G为重力常数,c为光速。它们都是常数,于是就可以计算出普朗克长度≈1.616229×10^-35m

我们对微观世界的测量受限于无法抗拒的自然规律。导致人类对微观世界的认识就有一个极限尺度。在极限尺度以下,人类没有任何手段可以探测到,人类的感官对世界的认识只能停留于极限尺度以上。其实在极限尺度以下,物质的时空变化对人类来说并没有意义。这种极限长度就是普朗克长度。

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