前沿:宇宙學及其他

普朗克尺度(Planck scale)

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取那三個錨定物理三大支柱的常數——光速 c(相對論)、普朗克常數 hbar(量子力學)與牛頓重力常數 G(重力)——然後問:你能把它們組合成一個長度、一個時間、一個質量、一個能量嗎?可以,而且答案基本上唯一。那些組合定義了普朗克尺度,是自然本身彷彿挑選出來的天然量尺,也是三套理論必須同時派上用場的前沿。

普朗克長度是 l_P = sqrt(hbar G / c^3),約 1.6 x 10^-35 公尺;普朗克時間是 t_P = l_P / c,約 5.4 x 10^-44 秒;普朗克質量是 m_P = sqrt(hbar c / G),約 2.2 x 10^-8 公斤;普朗克能量是 E_P = m_P c^2,約 1.2 x 10^19 GeV。這些僅由常數本身構成,不牽涉任何特定的粒子或力,這正是它們被視為基本的原因。在這些尺度上,時空幾何的量子漲落變得與幾何本身一樣大,於是一個古典、平滑的時空便不再說得通。

普朗克尺度之所以重要,是因為它標記出量子重力變得無可迴避之處:在普朗克長度之下,距離與時間長短這些概念本身預期會失去它們尋常的意義,而廣義相對論與量子場論都預期會失效。它離實驗遠得令人瞠目:普朗克能量約比大型強子對撞機所達到的能量高一千兆(10^15)倍,這正是為什麼這個尺度的物理是靠思辨、數學與宇宙學來探測,而非靠加速器。要注意,普朗克質量與長度不同,並不微小,約相當於一顆跳蚤卵的質量;對一個粒子而言它極為巨大,這正是層次問題的一部分。

大型強子對撞機達到約 10^4 GeV;普朗克能量約為 10^19 GeV。要用相同技術達到普朗克尺度的碰撞,你需要一台比太陽系還大的加速器,這正是為什麼我們無法直接探測量子重力。

普朗克能量比我們最大的對撞機還高出一千兆倍。

普朗克單位之所以「自然」,在於它們只用到 c、hbar 與 G,但那些數量級為一的因子(以及選用 hbar 還是 h、或 8 pi G)都是慣例;普朗克尺度標記的是量子重力大致、而非確切接手之處。普朗克質量對一個粒子而言是大的、而非小的,這件事本身就是一個謎。

又称
Planck unitsPlanck lengthPlanck energy普朗克單位