在古時候,人們的認識里空間確實是無限大的,物體也可以無限小。為什么會認為空間是無限大的呢?因為那時人們認為空間是平直的,平直的空間假如大小有限,就會有邊界,那么我們去到空間的邊界會怎樣?這很難以理解……至于物體可以無限小,中國古代哲人莊子有曰:“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”。意思就是每天把木頭砍掉一半,永遠都砍不完,這種說法成立的前提就是物質無限可分,直到無限小。不過隨著科學理論的發展,我們對這個問題有了新的認識。
廣義相對論的認知革命——空間彎曲使宇宙變得有限
在上世紀初,愛因斯坦提出了關于引力的全新理論——廣義相對論,用時空彎曲替代了萬有引力。他指出引力只是時空彎曲的表象。利用廣義相對論,愛因斯坦提出了一個全新的宇宙模型——超球面宇宙模型。首次提出了有限無邊的閉合時空概念。
所謂的超球面宇宙,就是三維空間由于物質能量的作用產生彎曲,并最終閉合成一個四維超球體的三維表面,這種三維空間的閉合面就被稱為超球面。
而超球面的大小是有限的,而不再是平直時空所認為的無限空間。超球面的大小由其表明的平均曲率確定,在一個靜態的超球面宇宙中,它的大小是可以確定的。
不過隨著天文觀測,科學家發現宇宙并不是靜態的,它似乎一直在膨脹,這樣,三維的超球面宇宙必須把時間考慮進來,這樣,空間是否有限就成為一個需要測量才能確定的問題。目前的天文觀測結果顯示,我們的動態宇宙非常接近平直,也就是說它很可能是無限的。但是不要忘了,這是把時間考慮進去的結果,當忽略時間的演化,我們的三維空間任何一個瞬間都是有限的!
微觀世界的認知革命——普朗克長度的觀測極限
量子力學的發現,是上世紀初的另一場認知革命。普朗克在對黑體輻射規律的研究中發現,必須假設光的能量是一份份的,理論計算才能與實驗數據相符,而每一份能量都是某一個常數的整數倍。普朗克通過計算得到了這個常數的值,科學界以他的名字命名為普朗克常數。
利用普朗克常數,可以計算出一個可觀測極限的空間長度——普朗克長度。它是以一個光子所能允許的最小波長計算得到的,由于波長越小能量越高,當一個光子的波長小于普朗克長度,該光子就會變成不可觀測的黑洞。
這樣,科學家就得到了一個空間長度的最小單位,利用普朗克長度又計算出最小的時間單位——普朗克時間,即以光速經過1普朗克長度所需的時間。
根據量子力學,普朗克長度是可觀測的最小空間,小于普朗克尺度的空間是沒有物理意義的,也就是說,任何物體都不可能小于這個長度!
結語
綜上所述,上世紀誕生的兩大基礎理論:廣義相對論和量子力學,給人類帶來認知的革命。讓我們對我們身處的世界有了更深的認識,這些理論也許不是最終的答案,但它們是目前描述世界最精確的理論。這些理論告訴我們:我們所處的空間不是無限大的,任何物體也不會無限小。
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