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时间可以被量子化了吗?理论物理学家计算可能的时间量子化上限

作者:admin 时间:2020-06-29 23:28

在物理学里,量子化,英语:Quantization,是指一种从经典场论建构出量子场论的程序过程。通过这个程序过程,时常可以将经典力学里的理论量身打造成崭新的量子力学理论,此过程是如粒子物理、核物理、凝聚态物理、量子光学理论等的基础。

时间可以被量子化了吗?换句话说,有没有一个基本的时间单位不能被划分成更简短的单位?这是物理学家们一直在考虑的基本问题。

如果时间要被“量子化”,首先最基本的就是时间需要被“量化”。在数学上,“量化”是指将输入从连续的一组值约束到离散组的过程。所以术语“量化”和“离散化”通常在含义上是同义词。时间是被认为是连续的,量化时间就需要将时间离散化。

多年来,理论物理学家一直在试图解释这样一个基本而又极为重要的问题。相对论的一般理论表明,时间是一个连续的量,根据加速度和引力条件,时间可以变慢或变快。但是量子力学理论认为,时间的流逝是以一个稳定的节奏在进行,就像播放电影的画面一样,是一个一个的画面组成的。但是,时间必须是具有普遍性的,我们不能说在经典世界的时间和在量子世界的时间是不一样的。为了使这两种理论都正确,必须以合理的方式解释这种矛盾。

一些理论物理学家建议,对于这种表观差异的一种可能的解释是,时间可以量化为时空,类似于描述量子引力的理论。在这种情况下,时空不被描述为连续的,而是被划分为多个较小的单位,这有必要与普朗克长度相对应。

然而普朗克长度又太小以至于无法检测到。普朗克长度单位首先由马克斯·普朗克所提出,他希望建构出一套测量系统是依照这些自然单位来施行的。其中的基础是建在普朗克质量上。量子力学和广义相对论在提出这些单位的当时尚未出现,随后得知:在普朗克长度的距离范围,引力预期开始会展现量子效应,进而要求一套量子引力理论来预测所会发生的物理事件。

这样的情况表明,将需要一个通用时钟,以非常小的时间单位计时。在这种情况下,宇宙时间将存在于整个宇宙中并与物质相互作用。简单来说,这就是提出了这样一个问题,即时间的时钟滴答作响的速度有多快,即时间被划分成不可再分的单元时间有多短的问题。

宾夕法尼亚州立大学的三位理论物理学家计算了这种可能的时间量化的上限,他们建议将10^-33秒,即10的负33次方秒,作为通用振荡周期的上限。理论物理学家加勒特·温德尔(Garrett Wendel)、路易斯·马丁内斯(LuisMartínez)和马丁·博约瓦尔德(Martin Bojowald)在发表的论文中概述了他们的这一理论,并提出了证明这一理论的可能方法。

在这项新的研究工作中,理论物理学家们开发了一种理论来描述这种时间增量的上限。在他们的理论模型中,他们建议通用时钟将是在两个不同状态之间定时切换的量子振荡器。为计算其速度,他们设想将其与类似于原子钟的慢速振荡器耦合。在他们的模型中,他们设想这两个振荡器的净能量总是相同的。

在这种情况下,这两个振荡将不得不随时间去同步。理论家们利用这种差异来计算通用时钟滴答声的上限。他们建议,尽管还无法测量这样的短滴答声,但应该有可能通过尝试测量两个振荡的同步失效(Desynchronization)来验证其理论。

该最新研究成果论文,题为:“基本时间段的物理含义”,发表在最近的《物理评论快报》上。

参考:Physical Implications of a Fundamental Period of Time, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.241301