第568章 理論的極限！不是時空極限！廣相量

  第568章 理論的極限！不是時空極限！廣相量子力學再度融合！最小尺度！

  剛剛的反轉讓眾人恍然大悟。

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  「原來布魯斯教授問的本意是理論的極限！」

  「而不是時空的極限！」

  如果是這樣，那這個問題就非常有意思了。

  在場眾人都知道，每個物理理論乃至科學理論，都有著自己的適用範圍。

  比如牛頓力學定律，在相對論出現以前，它被認為適用於宇宙中的任何情況。

  但是現在，大家都很清楚，牛頓力學只能在低速下應用。

  這就是理論的邊界。

  不僅是物理，其它學科同樣有這種限制。

  比如化學上某個反應不能超過某個溫度，否則產物就變成了另一種。

  生物、醫學、機械等等，都有類似的情況。

  相對論雖然顛覆了牛頓力學，並且包含了牛頓力學，但是它也許存在同樣的限制。

  從這個角度看，眾人覺得布魯斯教授的擔心不是沒有道理的。

  除非是終極的宇宙真理，否則人類現有的理論有很大概率存在瑕疵。

  但問題來了。

  「這個瑕疵不一定就是尺度問題啊。」

  電子再小，它也要滿足量子力學的概率波和不確定性。

  恆星再大，它也要滿足廣義相對論的彎曲時空效應。

  不管是相對論還是量子力學，怎麼會有尺度上的極限邊界呢？

  而且按照布魯斯教授的意思，一旦超過某個限制，理論不是產生誤差大小的問題，而是直接失效！

  什麼意思呢？

  比如牛頓力學雖然不適用高速運動的情況。

  但你非要用它來計算，也能計算出物體的速度，只不過誤差會比較大。

  可即便如此，只要對誤差能忍受，那麼結果也勉強能用。

  但是物理理論失效就不一樣了。

  相當於你用牛頓力學【不能計算】物體的速度了。

  「算的不准」和「不能算」是兩個截然不同的概念，代表的意義也天差地別。

  因此，眾人才會更疑惑了。

  「難道電子小到一定的程度，無論速度有多快，質量都不會變大？不符合狹義相對論？」

  很明顯，這是不可能的。

  會場內爆發出熱烈的討論聲。

  過了一會兒。

  安德森站了起來，他恭敬地說道：

  「布魯斯教授您好，我是來自美國加州理工學院的安德森。」

  「我想嘗試回答這個問題。」

  李奇維聞言，微微一笑。

  「請說。」

  安德森說道：

  「您之前曾經說過，相對論的物質基礎是天文學，量子力學的物質基礎是原子學。」

  「所以，這兩大理論分別對應尺度的上限和下限。」

  「理論的尺度上限，我個人認為是不存在的。」

  「因為恆星系乃至星系的尺度對於人類而言，已經足夠巨大。」

  「但是目前的萬有引力定律和廣義相對論都可以很好地預測。」

  「所以即便未來發現更大尺度的宇宙結構，它同樣也要遵循這些物理理論。」

  「無非是算出來的質量更大、速度更快、光強更強。」

  「星球和星系的尺度差異不會帶來物理本質上的區別。」

  「但是理論的尺度下限，我個人認為確實值得商榷。」

  「目前人類已知的最小結構就是電子，量子力學也是通過研究電子的行為發展而出。」

  「雖然它號稱適用於一切的微觀粒子，但也許將來我們發現比電子更小的粒子後，或許會有新的性質。」

  「那麼量子力學就需要重新調整。」

  「因此，我覺得尺度的下限和現有粒子的大小有關。」

  嘩！

  安德森的回答在學生中引起巨大反響。

  很多人忍不住點點頭，顯然很認同這個觀點。

  不過郎之萬、德布羅意等大佬們微微搖頭。

  在他們看來，安德森的回答有點過於稚嫩了，沒有說到重點。

  這時，李奇維笑道：

  「安德森同學，你的回答有一個問題。」

  「那就是你默認一個物理理論不能容納未發現的事物。」

  「這一點，雖然無法從數學上證明，但我個人不同意你的觀點。」

  「一個好的物理理論，應該是能預測或者預言未知的現象。」

  「而我們現在討論的是，它能預測的極限是什麼。」

  嗡！

  眾學生不明覺厲。

  他們覺得布魯斯教授的境界有點高。

  李奇維也不再繼續考驗這些天才們，繼續說道：

  「下面，我來談談我的看法。」

  「其中會用到一些計算，大家不要開小差，不然可能聽不懂。」

  嘩！

  眾人瞬間興奮！

  他們恨不得多長几隻眼睛，怎麼可能還走神。

  在所有的期待下，李奇維說道：

  「對於我們人類而言，世界是存在極限的。」

  「比如根據宇宙膨脹理論，離我們無比遙遠的地方，膨脹速度甚至超過了光速。」

  「那麼那裡發生的任何事情，都將和我們無關，這個距離就是某種極限。」

  「但是這個極限並不是理論的極限。」

  「我們有99%的把握認為，哪怕是空間膨脹速度超過光速的那片區域，量子力學和相對論依然是成立的。」

  「那裡的時空會彎曲，那裡的微觀粒子位置動量不確定。」

  「這是理論的普適性，也是我剛剛反駁安德森同學的理由。」

  眾人聞言，這下算是明白了。

  「但是，在一種特殊的情況下，理論就有可能失效。」

  「我們知道，對微觀世界最重要的一步就是測量。」

  「測量電子的位置、電荷、質量等。」

  「沒有測量，我們就無法觀察微觀世界的一切現象，也就無法創造對應的理論來解釋現象。」

  「測量至關重要，但測量本身卻是有極限的！」

  「在宏觀世界，一個人想知道自己多高，拿個尺子量一下就行。」

  「但如果想知道一個電子有大，拿尺子就不行了。」

  「對於微觀世界，唯一的測量方法就是用另一個微觀粒子作為工具，去測量被測量的微觀粒子。」

  「但是微觀粒子和宏觀物質有巨大的差別，這就會導致測量出現極限。」

  「現在，大家隨著我一起，來做個思想實驗。」

  「思想實驗很重要，希望你們在未來要逐漸學習並習慣這種思維。」

  眾人聽的雙眼放光，感覺在布魯斯教授的娓娓道來下，他們已經站在了物理最前沿。

  「假設現在要測量一個微觀粒子A。」

  「那麼就必須發射出另一個微觀粒子B與之相互作用，通常來說，B是光子。」

  「如果想精確地測量出A的位置，那麼就必須使光子的波長儘可能地短。」

  「這樣才能將粒子A恰好捕獲在光子的波長中，從而達到【測量】目的。」

  「A的尺寸越小，則光子的波長也要越短。」

  「這一點大家能理解吧。」

  「但是，根據E=hv，光子的波長越短，則頻率越大，於是能量就越高。」

  「當A的尺寸小到某個極限值時，這時候光子的能量也會到達一個極限值。」

  「這個能量極限值就是【mc】。」

  「這裡的m指的是所測量的粒子A的質量。」

  「因此mc就是根據狹義相對論計算，該A粒子所具有的全部能量。」

  「如果用於測量的光子的能量，超過了mc，那麼光子在撞擊到粒子A時，粒子A很可能會吸收掉這份能量，產生一個全新的粒子A。」

  「如此一來，測量過程發生變化，我們甚至不知道自己到底在測量什麼了。」

  「換句話說，測量失去了意義。」

  「這個時候，該光子的波長就是粒子A的【測量極限波長】。」

  「一旦光子的波長低於這個極限，那麼光子撞擊粒子A足以產生新的粒子A。」

  「【測量極限波長】很明顯和粒子A的質量成反比關係。」

  「粒子A的質量越大，則其能量mc就越大，那麼測量光子的臨界能量就越大，因此波長就越短，所以相應地，【測量極限波長】就越短。」

  「此外，根據不確定性原理，可以將上述的方法描述的更精確。」

  「當粒子A的能量不確定性大於mc時，就有足夠的能量生成一個同類型的新粒子。」

  「此時，測量同樣失去了意義。」

  眾人聽的目瞪口呆，震撼不已。

  忽然，李奇維提高聲音，說道：

  「注意！」

  「以上是從量子力學和狹義相對論的角度來闡述。」

  「從廣義相對論也能得出類似的結論！」

  「根據廣義相對論和恆星演化理論，一個質量為m的物體，當把它的尺寸壓縮到某個半徑時，則該物體會直接形成黑洞。」

  「這個半徑就是【史瓦西半徑】。」

  「顯然，史瓦西半徑是和質量成正比的，質量越大的物體，則它的史瓦西半徑越大。」

  「比如太陽的史瓦西半徑是3千米，地球的史瓦西半徑是9毫米。」

  「即，如果能把地球壓縮成一個半徑為9毫米的小球，地球就會變成一個黑洞。」

  「我之前在羅馬大學演講時，曾經提到過一滴水壓縮成黑洞，就是這個原理。」

  「從數學上分析，我們無法從黑洞內部得知任何信息。」

  「在黑洞內部，任何物理理論都是失效的。」

  「因此，如果當光子的能量足夠大，產生的新粒子A甚至直接變成黑洞時，那麼測量就真正失去了意義。」

  「黑洞會吞噬一切測量光子。」

  「粒子A雖然是微觀粒子，但是它同樣具有對應的史瓦西半徑。」

  「現在，我們把粒子A的【測量極限波長】和【史瓦西半徑】聯繫起來。」

  「如圖所示。」

  李奇維開始一邊計算，一邊講解。

  眾人無不駭然！

  他們已經完全沉浸進去在這場匪夷所思的思想實驗中。

  「假設當粒子A的【測量極限波長】和【史瓦西半徑】相等時，我們可以算出此時粒子A的質量。」

  「根據計算可知，它的值是2×10^-8kg。」

  「我把這個質量值稱為【極限質量】。」

  「極限質量代表什麼意思呢？」

  「它是宏觀世界與微觀世界的分界線！」

  「任何粒子的質量只要小於極限質量，那麼該粒子的不確定性作用範圍就會超過史瓦西半徑。」

  「即，這個粒子不會坍縮成一個黑洞，而是以波粒二象性的形式存在。」

  「可以理解為【波性】壓倒了【粒子性】。」

  「但若粒子的質量大於極限質量時，該粒子會直接形成黑洞，一切物理定律失效。」

  「那麼此時的任何測量行為也都是沒有意義的。」

  「所以，【極限質量】就是理論上黑洞的最小質量。」

  「低於極限質量的黑洞，會跌入量子世界，化為波粒二象性，而不是形成宏觀的黑洞。」

  「當粒子A的質量為極限質量時，此時它的【測量極限波長】計算結果為6×10^-35m。」

  「我把這個長度值稱為【極限長度】。」

  「它代表現有的廣義相對論和量子力學所能描述的最小尺度。」

  「而光走過【極限長度】所需的時間，計算可知它的值為4×10^-44s。」

  「我把這個時間值稱為【極限時間】。」

  「它代表在小於這個時間間隔內發生的一切現象，都無法用現有的物理理論描述。」

  「【極限長度】和【極限時間】就是目前物理學所能探索的極限。」

  「即：最小的尺度！」

  轟！

  全場駭然！

  隨後，就是死一般的寂靜！

  所有人被震撼的目瞪口呆。

  李奇維看著眾人，微微一笑。

  很顯然，極限長度、極限時間、極限質量分別就是真實歷史上的普朗克長度、普朗克時間、普朗克質量。

  普朗克自己都沒有想到，當初他從純數學的角度編造出的數字，竟然會有如此匪夷所思的物理意義。

  這其中的關鍵就在於光速c和普朗克常數h。

  前者代表了相對論，尤其是廣義相對論，而後者代表了量子力學。

  通過黑洞和不確定性原理，二者殊途同歸地達到一個極限。

  在這個極限尺度下，相對論和量子力學同時失效。

  不得不說，這是一個巧合。

  但這個巧合或許蘊含著某個極其深刻的道理。

  宇宙中的幾個常數實在太神奇了，它們之間的聯繫還遠遠沒有被研究清楚。

  或許這些常數才是宇宙最本源的架構。

  如果有一個公式能把所有宇宙常數結合在一起。

  那麼，它是不是就能計算出宇宙的一切結果呢？

  （還有更新耶）