这就是不确定性原理。此原理告诉我们:粒子的动量和位置不可同时测得,位置测得越准,其动量越不准,反之亦然。于是位置Δx和动量Δp就有一个关系式:ΔxΔp≥ћ/2。
有的人认为,只要我们放弃粒子的动量,就会把粒子的位置测得无限准,但事与愿违。
想象一下,把粒子的位置测得越准,就需要波长越短的波,这就意味着用于测量的电子的能量越大。
考虑到质能方程E=mc²。如果设被测量的x粒子的质量为m′,它所能释放的所有能量就是m′c²。如果x粒子被电子以与它所能释放的所有能量m′c²撞击了,则就会导致x粒子吸收能量,生成另一个x粒子。那还测量毛线,最后都不知道到底测量的是谁!
在这个层面上,测量就毫无意义了,所以这也是人类认识微观粒子位置的底线了。
电子波长为多少才会导致被测量粒子恰好能生成同样的粒子呢?由不确定性原理ΔxΔp≥ћ/2,于是Δp≥ћ/2Δx。
微观粒子的动量Δp=mv必须考虑相对论效应,因为微观粒子的运动速度一般都很快,其速度越快,质量就越大。
动量Δp=mv,式中质量m随着速度v的增加而增加,根据狭义相对论的质速关系(专栏里有推导过程,很简单),m=m0v/(1-v²/c²)½代入到不确定原理公式中。得出当动量Δp≯mc时,能量的不确定性才会大于m′c²。
位置Δx≥ћ/2Δp,Δp为mc,于是Δx≥ћ/2mc, 那么ћ/2mc就是粒子位置的空间范围。这时候我用大于x粒子位置范围一倍的电子波长测量它,则电子的波长就是h/mc。这就是康普顿波长,是人类测量粒子位置的极限波长。这个波长的大小取决于粒子的质量,因h/mc中的h是普朗克常数,c是光速,也是常数,只有质量m是变量。
这就是普朗克质量,它是一个史瓦西半径2Gm/c²等同于康普顿波长h/mc的黑洞所带有的质量。也就是说,一个粒子理论上可以被压缩到的最小状态,最后就成了黑洞,测量它就不能获得意义。
那么这个黑洞的半径就是普朗克长度。史瓦西半径和康普顿波长结合就是普朗克长度(ћG/c³)½。式中ћ是约化普朗克常数,G为重力常数,c为光速。它们都是常数,于是就可以计算出普朗克长度≈1.616229×10^-35m
我们对微观世界的测量受限于无法抗拒的自然规律。导致人类对微观世界的认识就有一个极限尺度。在极限尺度以下,人类没有任何手段可以探测到,人类的感官对世界的认识只能停留于极限尺度以上。其实在极限尺度以下,物质的时空变化对人类来说并没有意义。这种极限长度就是普朗克长度。