宇宙中会有最小距离尺度吗？
100多年前，物理学家马克斯·普朗克提出引力常数G和普朗克常数？普朗克长度可以通过结合三个常数得到，光速c在真空中。一旦我们超过了普朗克长度的极限，我们现有的所有物理定律都将失效。量子引力理论试图把广义相对论和普朗克尺度附近的量子力学结合起来，从而精确地描述我们的宇宙。
如果我们想了解宇宙是如何运行的，我们必须从基础层面研究它。因为宏观物体是由粒子组成的，而粒子只能在亚原子尺度上被探测到。为了研究宇宙的性质，我们必须在尽可能小的尺度上观察最小的成分。只有在基础层面了解了它们的性质，我们才能理解它们是如何组合起来创造出我们熟悉的人类尺度的宇宙的。
但是我们对小尺度宇宙的理解不能扩展到任何小的距离尺度。一旦小于10-35米，也就是普朗克距离尺度，那么传统的物理定律就不再有意义了。但是为什么一旦小于一定长度范围就不能给出任何物理结论呢？接下来我们来回答这个问题。
我们通常认为空间是一个三维网格，当我们考虑时间和空间的概念时，这是一个过于简化的基本框架。时空是离散的还是连续的，是否存在最小可能长度，这些问题都还没有答案。我们只知道，一旦它小于普朗克距离尺度，我们将无法准确预测任何东西。图片来源:ReunMedia/Storyblocks
我们可以思考一个量子物理学的经典问题:盒子里的粒子问题。随意想象一个粒子，想象它不知何故被限制在一个小空间里。在这个量子版的捉迷藏游戏中，我们要问一个基本问题:“这个粒子在哪里？”
你可以通过测量来确定粒子的位置，测量会给你答案。但这种测量存在固有的不确定性，是量子效应造成的。那么，这种不确定性到底有多大？答案是，这和什么有关系？都是关于l的，哪个？是普朗克常数，l是盒子的大小。
在我们的大多数实验中，普朗克常数与我们实际测量的任何距离尺度相比都非常小。因此，当我们分析结果时，它不同于？这种与l和l相关的固有不确定性非常小。
但是如果l很小呢？如果我和？同等大小甚至更小？
能级和电子波函数对应氢原子中的不同状态，其他原子也有类似的构型。能级由普朗克常数的倍数量子化，轨道和原子的大小由基态能量和电子质量决定。附加效应是微弱的，但它能以可测量和可量化的方式改变能量水平。原子核的势就像一个“盒子”，禁锢了电子的物理范围，类似于“盒子里的粒子”的思想实验。|图片来源:维基解密PoorLeno
那么这个临界长度是多少呢？普朗克尺度是由物理学家马克斯·普朗克在100多年前首次提出的。普朗克研究了自然界的三个常数:
(1)G，牛顿和爱因斯坦引力理论中的引力常数，
(2)?普朗克常数，自然界的基本量子常数，
(3)c，真空中的光速。
光子的能量取决于波长。波长越长，能量越低，波长越短，能量越高。原则上，波长可以有多短是没有限制的，但还有其他物理问题不容忽视。|图片来源:维基百科分享用户maxhurtz
如果一个粒子真的达到了这个能量，它的动量将会非常大，以至于能量-动量的不确定性将很难区分该粒子和黑洞。正是在这个尺度上，我们的物理定律不再有效。
当我们更深入地分析时，情况会变得更糟。如果考虑空间(或时空)固有的量子涨落，也存在能量-时间不确定关系。距离尺度越小，对应的时间尺度越小，意味着更大的能量不确定性。
在最小的尺度上，量子涨落是巨大的、多变的、重要的。在这个尺度上，空间固有的能量会有很大的波动。如果观测尺度足够小，比如接近普朗克尺度，涨落就会变得足够大，从而自发产生黑洞。图片来源:M.Weiss，美国国家航空航天局钱德拉X射线中心
在普朗克距离尺度下，这意味着黑洞和量子虫洞的出现，我们无法研究。如果进行高能碰撞，只会产生质量更大(尺寸也更大)的黑洞，然后这些黑洞会被霍金辐射蒸发掉。
模拟结果表明，黑洞的衰变不仅会产生辐射，还会导致维持大多数物体稳定的中心旋转质量的衰减。黑洞不是静止的，而是随着时间而变化的。黑洞的质量越小，蒸发越快。|图片来源:欧盟《传播科学》
你可能会说，也许这就是为什么我们需要量子引力。当你把我们知道的量子规则应用到我们知道的引力定律时，你会遇到量子物理和广义相对论的基本不相容。但不仅仅是这样。黑洞可能是我们探索量子引力效应的最佳选择，因为在非常接近黑洞中心奇点的空间，量子引力效应被认为是非常重要的。然而，一旦它小于一定的距离尺度，我们将无法精确地描述宇宙，即使是在理论上。对于物理学家来说，是否存在一个最小距离尺度，在这个尺度上现有的物理定律是有意义的，仍然是一个有待解决的难题。图片来源:C. Henze，美国国家航空航天局艾姆斯研究中心
能量就是能量，我们知道它会弯曲空间。一旦你开始尝试计算普朗克尺度或接近普朗克尺度的量子场论，你就不再知道你要计算什么样的时空。即使在量子电动力学或量子色动力学中，我们也可以把这些粒子的时空背景看成是平坦的。即使在黑洞周围，我们也可以使用已知的空间几何。但是在这样的超能量下，空间的曲率是无法得知的。我们无法计算出任何有意义的东西。
量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。经典引力的量子修正在图中画为白色圆圈。空间(或时间)本身是离散的还是连续的，引力是不是量子化的，我们所知道的粒子是不是基本的，这些都还没有定论。但是如果我们想得到一个基本的万物理论，它必须包括量子化的场。|图片来源:美国SLAC国家加速器实验室
在足够高的能量下，或者在足够短的距离下，或者在足够短的时间内，我们所知道的物理定律将会失效。我们用于量子计算的空间背景的曲率是不可靠的，不确定关系使得不确定性大于我们能够做出的任何预测。我们所知道的物理学不再适用，这就是我们所说的“物理定律无效”的意思。
但也许有另一种方法可以解决这个问题。有一个观点已经提出很久了——实际上从海森堡开始——它提供了一个解决方案:也许空间本身存在一个基本的最小长度。
没有任何物质、能量或曲率的平坦空间的表示。如果这个空间在性质上是离散的，那就意味着宇宙有一个最小长度。至少在理论上，我们应该能够设计一个实验来揭示这一特性。
当然，有限的最小长度本身会产生一系列问题。在爱因斯坦的相对论中，你可以想象把一把尺子放在任何地方，它应该会根据你相对于它移动的速度而缩短。如果空间是离散的，有一个最小长度，那么不同的观察者——也就是以不同速度运动的人——会测量出彼此不同的基本长度！
这强烈表明存在一个“特权”参照系，在这个参照系中，以某一速度在空间中旅行将具有最大可能的长度，其他一切都将变得更短。这就意味着有些我们现在认为是基本的东西，比如洛伦兹不变性或者定域性，肯定是错误的。同样，离散化时间也给广义相对论带来了很大的问题。
但是，可能有一种方法可以测试是否存在最小长度。物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)在去世前三年提出了一个奇妙的实验设想。如果一个光子穿过晶体，会让晶体稍微移动一下。
因为光子能量可以调节(连续)，晶体的质量相对于光子动量可以非常大，所以我们可以检测出晶体是以离散的步长运动还是连续运动。对于能量足够低的光子，如果空间量子化，晶体要么移动一个量子步，要么完全不动。
时空结构中质量引起的波纹和变形。然而，虽然这个空间发生了很多事情，但空间本身并不需要分解成单个的量子。图片来源:Lionel Bret，欧洲重力观测站，EUROLIOS
目前无法知道距离尺度小于10-35米会发生什么，时间尺度小于10-43秒会发生什么。这些值是由支配我们宇宙的基本常数设定的。在广义相对论和量子物理的背景下，如果超越这些极限，只能从我们的方程中得出毫无意义的结论。
也许引力的量子理论会在超越这些极限时揭示宇宙的本质，也许关于时空本质的一些基本范式的转变会给我们展示一条新的前进之路。但如果基于目前已知的情况来计算，无论从距离还是时间来看，都不可能低于普朗克尺度。这方面可能会有一场革命，但没有迹象告诉我们会在哪里发生。