如果想在计算机中模拟宇宙,我们需要输入的信息是:宇宙的初始条件、所有物理定律以及26个常数。程序运行之后,我们最终会看到一个宇宙,它与你周围看到的几乎一模一样。我们对这些物理定律比较熟悉,但这26个常数是什么呢?这26个常数是必须测量才能得到的常数,目前还没有理论基础来预测它们应该是多少。

从普朗克长度看宇宙直径(模拟宇宙的26个常数与组合成普朗克尺度的基本常数)(1)

但你会注意到这26个常数都只适用于宇宙中的某些物体,以及这些物体之间的相互作用。它们并不适用于所有地方的所有事物,所以在这个意义上它们可能不是那么基本。然而,有另外4个基本常数适用于任何地方的一切,所以这些可能是宇宙中最重要的数字。这些基本常数是什么,它们可以告诉我们宇宙的什么信息?

四个基本常数

两个粒子具有静止质量,它们会在与引力常数G成比例的引力作用下相互吸引。引力常数G出现在牛顿引力理论和广义相对论中,它可以被认为是引力强度与产生该引力的质量之间的比例因子。由于引力适用于所有地方,因此G是这4个基础常数中的第一个,它的量纲是质量的立方除以质量和时间平方的乘积。

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电子和质子的相互吸引与自由空间的介电常数ε₀相关;而且由于电子在旋转,它的磁矩也是与自由空间的磁导率μ₀成正比。这两个常数都来自麦克斯韦方程组,它们是必须测量的常数,没有理论可以预测它们的值。求解麦克斯韦方程组,我们可以发现光速C与ε₀、μ₀有关。C适用于任何地方的任何事物,是这4个基础常数的第二个,它的量纲是长度除以时间。

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第三个适用于所有事物的常数是普朗克常数h,它是设定量子现象最小尺度的基本常数。它几乎可以在所有量子力学方程中找到,例如薛定谔方程、狄拉克方程等。它与量子态以及量子态的跃迁也有关系。普朗克常数h的量纲是质量乘以长度的平方再除以时间。

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最后,还有玻尔兹曼常数,它也适用于所有事物。它是有关温度和能量的物理常数,是1开度所包含的能量的定义。

普朗克尺度

事实上,仅使用四个常数中的三个G、C和H,我们就可以对宇宙的本质获得一些非凡的见解。如果我们采用这三个常数进行一种特殊的组合,我们将得到普朗克长度,它是量子力学中有意义的最小长度。同样如果我们对它们再进行另一种组合,那么我们又可以得到普朗克时间,这是在量子力学中有意义的最小时间。我们还可以有另一种组合来得到普朗克能量,这是一个普朗克长度大小的立方体可以包含的最大能量。我们可以使用爱因斯坦质能方程将普朗克能量转换为质量,这表示一个普朗克长度的立方体可能具有的最大质量。

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以上这些统称为普朗克尺度,但是它到底有什么意义呢?

普朗克尺度是最小的尺度,这并不是说不存在更小的尺度,而是说小于这个尺度物理学就会崩溃。如果弦理论是正确的,那么弦可能会像普朗克长度一样小,这也将是圈量子引力理论中圈的最小尺寸。这些弦会以最小时间尺度——普朗克时间振动;在圈量子引力理论中,自旋网络的运动会像数字时钟一样,以普朗克时间为增量发生。

普朗克时间是光传播普朗克长度所需的时间,它是量子力学中具有意义的最小时间度量。它是距离宇宙开始最接近的时间,那时的四种基本力还未分离。我们不知道在这个时间之前宇宙发生了什么事,也没有相应的模型,从这个意义上来说,时间本身就是从普朗克时间开始的。

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如果普朗克能量被限制在一个普朗克长度组成的立方中,它将形成一个黑洞。普朗克质量被认为是黑洞所拥有的最小质量。如果我们能在粒子加速器中创造出这样的黑洞,它就会在量子尺度上产生量子效应,或许我们就可以了解引力在量子尺度上的工作原理。

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