空间是不是无限大?物体可不可以无限小?为什么?
在古时候,人们的认识里空间确实是无限大的,物体也可以无限小。为什么会认为空间是无限大的呢?因为那时人们认为空间是平直的,平直的空间假如大小有限,就会有边界,那么我们去到空间的边界会怎样?这很难以理解……至于物体可以无限小,中国古代哲人庄子有曰: "一尺之棰,日取其半,万世不竭" 。意思就是每天把木头砍掉一半,永远都砍不完,这种说法成立的前提就是物质无限可分,直到无限小。不过随着科学理论的发展,我们对这个问题有了新的认识。
广义相对论的认知革命——空间弯曲使宇宙变得有限
在上世纪初,爱因斯坦提出了关于引力的全新理论—— 广义相对论 ,用时空弯曲替代了万有引力。他指出引力只是时空弯曲的表象。利用广义相对论,爱因斯坦提出了一个全新的宇宙模型—— 超球面宇宙模型 。首次提出了有限无边的闭合时空概念。
所谓的超球面宇宙,就是三维空间由于物质能量的作用产生弯曲,并最终闭合成一个四维超球体的三维表面,这种三维空间的闭合面就被称为超球面。
而 超球面的大小是有限的,而不再是平直时空所认为的无限空间。超球面的大小由其表明的平均曲率确定,在一个静态的超球面宇宙中,它的大小是可以确定的。
不过随着天文观测,科学家发现宇宙并不是静态的,它似乎一直在膨胀,这样,三维的超球面宇宙必须把时间考虑进来,这样,空间是否有限就成为一个需要测量才能确定的问题。 目前的天文观测结果显示,我们的动态宇宙非常接近平直,也就是说它很可能是无限的。但是不要忘了,这是把时间考虑进去的结果,当忽略时间的演化,我们的三维空间任何的一个瞬间都是有限的!
微观世界的认知革命——普朗克长度的观测极限
量子力学的发现,是上世纪初的另一场认知革命。普朗克在对黑体辐射规律的研究中发现,必须假设光的能量是一份份的,理论计算才能与实验数据相符,而每一份能量都是某一个常数的整数倍。普朗克通过计算得到了这个常数的值,科学界以他的名字命名为 普朗克常数 。
利用普朗克常数,可以计算出一个可观测极限的空间长度—— 普朗克长度 。它是以一个光子所能允许的最小波长计算得到的,由于波长越小能量越高,当一个光子的波长小于普朗克长度,该光子就会变成不可观测的黑洞。
这样,科学家就得到了一个空间长度的最小单位,利用普朗克长度有计算出最小的时间单位—— 普朗克时间 ,即以光速经过1普朗克长度所需的时间。
根据量子力学,普朗克长度是可观测的最小空间,小于普朗克尺度的空间是没有物理意义的,也就是说,任何物体都不可能小于这个长度! 结语
综上所述,上世纪诞生的两大基础理论:广义相对论和量子力学,给人类带来认知的革命。让我们对我们身处的世界有了更深的认识,这些理论也许不是最终的答案,但它们是目前描述世界最精确的理论。这些理论告诉我们: 我们所处的空间不是无限大的,任何物体也不会无限小。
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