空间和时间是量子化的吗?
创始人
2025-07-07 07:33:43
空间和时间是量子化的吗?
空间在本质上都是量子化的,但是时间不一定是。
根据量子力学,如果达到足够小的尺度,那么所有包含能量的东西,无论它是有质量的还是无质量的,都可以分解成单独的量子。
空间和时间是离散的。爱因斯坦的对论中,在任何地方放一个想象的尺子,根据观察者相对于它移动的速度而变短。空间被量子化,不同速度运动的人测量到不同的基本长度范围。
如果假设空间的距离是最小,那么这些不定式就会消失。从数学或物理的角度来说,这个理论变得可重构,这意味着我们可以准确地计算。

那么对于时空是否被量子化了这个问题,我们进行到什么程度了?有三个主要的可能性,每一个都不可思议。

(1)空间和/或时间是离散的。想象有一个最短的长度,那这里有一个问题,在爱因斯坦的相对论中,可以在任何地方放下一个想象的尺子,这个尺子根据观察者相对于它移动的速度而变短。如果空间被量子化,以不同速度运动的人会测量到不同的基本长度范围。

这有力地表明,将会有一个“优先的”参考系,它穿过空间的一个特定速度会有最大可能的长度,而其他所有参考系的会更短。不是每个人都喜欢这个观点,它要求放弃一些物理上很重要的东西,比如洛伦兹不变性或局部性。离散化时间也给广义相对论带来了很大的问题。

(2)空间和时间都是连续的。我们现在所认知到的问题并不是不可克服的问题,而是拥有一个不完整的量子宇宙理论造成的。空间和时间有可能真的是连续的,即使它们本质上是量子,也不能被分解成基本单位。它可能是一种泡沫状的时空,在微小的尺度上有巨大的能量波动,但可能不会有最小的尺度。当我们成功地找到引力的量子理论时,可能就有一个连续且量子的结构。

(3)空间和/或时间可以是离散的,也可以是连续的.但是这里有一个我们能达到的有限分辨度,这涉及了什么是“真实的”或“基本的”和什么是可测量的之间区别的核心。假设有一个连续的结构,但是我们的观察能力是有限的。当我们到达一个足够小的距离尺度时,它就会变得模糊。我们可能无法看到它是真的连续的还是离散的,只能说低于一定长度范围我们就无法解决结构问题。

令人难以置信的是,实际上可能确实有一种方法能够测试是否有最小长度尺度。物理学家雅各布•贝肯斯坦曾提出了一个绝妙的想法,让一个光子穿过晶体,使它移动的幅度很小。因为光子能量(连续的)可以微调,而晶体与光子的动量相比是非常巨大的,所以它应该能够检测出晶体运动的“步骤”是离散的还是连续的。在有一个足够低能量光子的情况下,如果空间被量子化,晶体要么移动一个量子步骤,要么根本不动。

有一种观点认为,在时间或者空间中可能存在最小的尺度。或许一切都是量子的,但并非一切都是离散的。在爱因斯坦的相对论中,空间和时间仍然被看作是一个连续结构的两个相连的部分。在量子场理论中,时空是量子之舞的连续性舞台。但是,应该还有一个有关引力的量子理论。“离散的还是连续的?”这个问题包含了一些不可思议的可能性,包括低于一定范围我们无法知道的可能性。尽管许多物理学家有着不同的假设,但我们需要更多的信息,才能真正知道我们的宇宙在基本层面上是什么样的。

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