如果盤(pán)點(diǎn)20世紀(jì)貢獻(xiàn)最突出的物理學(xué)家，馬克斯·普朗克必然在列。1900年，普朗克發(fā)表黑體輻射公式，假設(shè)能量只能以離散的“量子”形式釋放，標(biāo)志了量子物理學(xué)的開(kāi)端。為了表彰普朗克對(duì)這一新的物理領(lǐng)域的奠基性貢獻(xiàn)，他被授予1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在對(duì)黑體輻射問(wèn)題的研究中，普朗克引入了一個(gè)關(guān)鍵的數(shù)值。這個(gè)物理常量將人們的目光拉到了物理學(xué)極限尺度的邊緣，深刻地影響了量子物理學(xué)的發(fā)展，以及人們對(duì)亞原子世界的探索。

普朗克認(rèn)為，一個(gè)假想的共振器只能以某個(gè)最小數(shù)量改變其能量，這種能量（E）和相關(guān)的電磁波頻率（ν）成正比，可以表示為E = hν，其中的比例常數(shù)就是h，它后來(lái)就被稱(chēng)為普朗克常量。隨后，愛(ài)因斯坦將這種關(guān)系發(fā)展到描述光子的能量中，進(jìn)而用光子假說(shuō)解釋了光電效應(yīng)。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，普朗克常量及其衍生的約化普朗克常量（?≡h/2π）可以反映物理世界的一些最基本的性質(zhì)。從玻爾的原子模型，到海森堡的不確定性原理，從架起波粒二象性的橋梁，到精準(zhǔn)定量“千克”單位，現(xiàn)在，普朗克常量已經(jīng)成為量子力學(xué)，甚至物理學(xué)中最重要的數(shù)值之一。由普朗克常量進(jìn)一步發(fā)展出的一系列物理量，也成了指引科學(xué)家探索極限的路標(biāo)。

根據(jù)狹義相對(duì)論的長(zhǎng)度收縮和時(shí)間膨脹，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀(guān)測(cè)者在時(shí)間和長(zhǎng)度上永遠(yuǎn)存在分歧。真是這樣嗎？他們可能會(huì)對(duì)以任何單位計(jì)量的長(zhǎng)度和時(shí)間存在分歧。但是，也有一些“絕對(duì)”的長(zhǎng)度和時(shí)間，是由宇宙的本質(zhì)決定的。這種長(zhǎng)度和時(shí)間完全由物理定律中的普適常量定義，無(wú)論是誰(shuí)，無(wú)論是在太陽(yáng)系，還是比鄰星系統(tǒng)中，只要遵循著與我們相同的物理定律，它們就是相同的。普朗克長(zhǎng)度??P與普朗克時(shí)間tP就是這樣的物理量，定義它們的三個(gè)基本常量分別是約化普朗克常量（?）、引力常量（G）以及真空光速（c）。

普朗克長(zhǎng)度非常非常非常非常小，用國(guó)際單位制表示大約是1.6×10^-35米，也就是0.000000000000000000000000000000000016米。如果你對(duì)這個(gè)數(shù)量級(jí)還是沒(méi)什么概念，可以試著這樣想想：原子大小的數(shù)量級(jí)大約在0.0000000001米，這已經(jīng)是我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的最小物體的十萬(wàn)分之一。假設(shè)你以每秒1普朗克長(zhǎng)度的速度測(cè)量原子的直徑，你要花的時(shí)間將達(dá)到目前宇宙年齡的一千萬(wàn)倍。普朗克時(shí)間則是以真空光速通過(guò)普朗克長(zhǎng)度所用的時(shí)間，大約是5.4×10^-44秒。

事實(shí)上，從馬克斯·普朗克起，物理學(xué)家發(fā)展出了一整套完整的自然單位，它們被統(tǒng)稱(chēng)為普朗克單位。普朗克單位不僅包含了時(shí)間與長(zhǎng)度，還有質(zhì)量、溫度等許多方面的物理量。除了c、G與?，涉及的普適常量還包括波茲曼常量（kB）。（有時(shí)還會(huì)加上庫(kù)倫常量，ke。）

如果使用國(guó)際單位制或者其他任何單位制來(lái)表示這些常量，常量的數(shù)值必然取決于測(cè)量所使用的單位。雖然許多單位非常適用于我們的日常經(jīng)驗(yàn)，但在理解宇宙更復(fù)雜的方面時(shí)，它們并非總是適用。如果將上面等式中的所有普適常量改寫(xiě)為c = G = ? = kB = 1，那么??P、tP、mP……所有這些數(shù)值就都成了1，它們就構(gòu)成了一套完備的單位系統(tǒng)。普朗克單位完全由基本常量的組合導(dǎo)出，因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，它們是一種最普適的自然單位，這也是理論物理學(xué)家最常使用的工具。

普朗克單位中的各項(xiàng)物理量，本身也包含著重要的意義。普朗克單位是宇宙最初時(shí)刻的特征。標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸模型可以解釋追溯到普朗克時(shí)間的前后的宇宙演化。在那個(gè)時(shí)刻，宇宙正處于普朗克溫度，光子的平均能量接近普朗克能量。

普朗克單位也描述著一個(gè)無(wú)法想象的普朗克尺度世界。在普朗克長(zhǎng)度和時(shí)間的尺度上，時(shí)空與宏觀(guān)中的面貌截然不同，它不再是連續(xù)而平滑的，而是存在著巨大的漲落。人們猜想，這個(gè)尺度下的時(shí)空可能成為混沌的量子泡沫。在弦理論中，“弦”的特征長(zhǎng)度尺度就被認(rèn)為在普朗克長(zhǎng)度的這個(gè)數(shù)量級(jí)上。

普朗克長(zhǎng)度被認(rèn)為是基本尺寸的極限，是理論上我們可以探測(cè)到的最小的距離尺度。因?yàn)橄胍綔y(cè)普朗克尺度上的任何東西，我們需要帶有極高能量（普朗克能量）的粒子。當(dāng)這樣的極高能量粒子與目標(biāo)相互作用時(shí)，黑洞就會(huì)形成。即使繼續(xù)提高能量也無(wú)濟(jì)于事，那也只會(huì)讓黑洞變得更大。

事實(shí)上，我們其實(shí)并不清楚在這一尺度之下究竟會(huì)發(fā)生什么。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，已知的物理學(xué)法則在超越普朗克尺度的極限后就會(huì)崩塌，甚至相對(duì)論物理學(xué)可能也需要特別的調(diào)整。舉個(gè)例子，普朗克長(zhǎng)度和普朗克時(shí)間均由普適常量定義，不同的觀(guān)測(cè)者對(duì)它們的觀(guān)測(cè)應(yīng)當(dāng)都是相同的。那么在這個(gè)尺度上的長(zhǎng)度收縮和時(shí)間膨脹的效應(yīng)呢？如果在運(yùn)動(dòng)參考系中對(duì)這種時(shí)間和長(zhǎng)度進(jìn)行觀(guān)測(cè)，似乎需要一種修正后的狹義相對(duì)論。確實(shí)已經(jīng)有科學(xué)家開(kāi)始了這樣的嘗試，比如，2002年，意大利理論物理學(xué)家喬凡尼·阿梅利諾-卡梅利亞就提出了雙重狹義相對(duì)論（DSR），試圖將普朗克尺度納入討論。

然而一切都還是猜想，而它們也很有可能一直都只是一種猜想。

撰文：Planckeko

插圖設(shè)計(jì)：編輯部之花雯雯子

封面設(shè)計(jì)：一點(diǎn)黑眼圈都沒(méi)有的岳岳子

參考來(lái)源：

https://www./prizes/physics/1918/planck/biographical/