时空可以无限分割吗,还是由不可分割的量子组成?

时间:2022-02-25 08:56:03   作者:
事实上,量子理论的诞生是由于将电磁辐射量化为离散的能量包解决了紫外线灾难。这代表着普朗克在上个世纪初向发展现代量子理论迈出的第一步。

有鉴于此,或许令人惊讶的是,有多少东西没有被量子化,也就是被打包成离散的块,即量子。就拿量子电动力学来说。光子可以有任何能量:光谱是连续的。自由电子可以在任何地方:它的位置不局限于网格或其他量子化。等等。

让我简单地解释一下量子场论的路径。我们从经典物理学开始。我们可以用一点数学知识把一个叫做哈密顿量的方程转化成一个和Schrödinger的方程一样的方程。看着这个方程,我们认识到在经典物理学中没有意义的解(经典的解释是电子同时在两个地方),但正如我们通过实验和观察所发现的,它仍然准确地描述了现实。普通的量子力学就这样诞生了。

接下来,我们将所学到的应用到最简单的非平凡机械系统中,谐振子。这就是我们第一次遇到量子化行为的地方:我们发现振荡器被限制在特定的能级,以与振荡器频率相关的单位为特征。这是一个意义深远的结果,因为它已经解释了为什么,例如,原子周围的电子被限制在特定的轨道上,以及原子吸收和发射光谱的离散性。

但是我们采取了另一个步骤,我们取一个场,把它分解成一个谐振子的和。这可以通过傅里叶变换来实现。每个谐振子都有与其频率相关的离散能级。当一个特定的振荡器的激发计数增加或减少时,该场可以获得或失去能量。这些变化是可以观察到的:当磁场是电磁场时,我们认识到这些观察结果是一个光子的发射或吸收。

这和时空有什么关系?把它分成不可分割的量子?非常小。首先,时空本身并没有动力。它没有质量,没有能量,没有可测量的性质。我们观察的是时空和它们的几何关系,而不是时空本身。(我们确实观察到时空的度规,也就是引力场,但那是另外一回事。)

话虽如此,我们还是可以考虑用离散网格代替连续坐标的理论。有很多这样的投机理论存在,但它们没有实验支持,我要强调的是,这个方向绝不是由量子场论提出或保证的,而量子场论是我们唯一可行的理论,准确地预测了我们对自然的观察。
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