如果盤點20世紀貢獻最突出的物理學家，馬克斯·普朗克必然在列。1900年，普朗克發(fā)表黑體輻射公式，假設能量只能以離散的“量子”形式釋放，標志了量子物理學的開端。為了表彰普朗克對這一新的物理領域的奠基性貢獻，他被授予1918年諾貝爾物理學獎。

在對黑體輻射問題的研究中，普朗克引入了一個關鍵的數值。這個物理常量將人們的目光拉到了物理學極限尺度的邊緣，深刻地影響了量子物理學的發(fā)展，以及人們對亞原子世界的探索。

普朗克認為，一個假想的共振器只能以某個最小數量改變其能量，這種能量（E）和相關的電磁波頻率（ν）成正比，可以表示為E = hν，其中的比例常數就是h，它后來就被稱為普朗克常量。隨后，愛因斯坦將這種關系發(fā)展到描述光子的能量中，進而用光子假說解釋了光電效應。

從某種意義上來說，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。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，到精準定量“千克”單位，現在，普朗克常量已經成為量子力學，甚至物理學中最重要的數值之一。由普朗克常量進一步發(fā)展出的一系列物理量，也成了指引科學家探索極限的路標。

根據狹義相對論的長度收縮和時間膨脹，兩個相對運動的觀測者在時間和長度上永遠存在分歧。真是這樣嗎？他們可能會對以任何單位計量的長度和時間存在分歧。但是，也有一些“絕對”的長度和時間，是由宇宙的本質決定的。這種長度和時間完全由物理定律中的普適常量定義，無論是誰，無論是在太陽系，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。普朗克長度??P與普朗克時間tP就是這樣的物理量，定義它們的三個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）。

普朗克長度非常非常非常非常小，用國際單位制表示大約是1.6×10^-35米，也就是0.000000000000000000000000000000000016米。如果你對這個數量級還是沒什么概念，可以試著這樣想想：原子大小的數量級大約在0.0000000001米，這已經是我們肉眼可見的最小物體的十萬分之一。假設你以每秒1普朗克長度的速度測量原子的直徑，你要花的時間將達到目前宇宙年齡的一千萬倍。普朗克時間則是以真空光速通過普朗克長度所用的時間，大約是5.4×10^-44秒。

事實上，從馬克斯·普朗克起，物理學家發(fā)展出了一整套完整的自然單位，它們被統(tǒng)稱為普朗克單位。普朗克單位不僅包含了時間與長度，還有質量、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）。（有時還會加上庫倫常量，ke。）

如果使用國際單位制或者其他任何單位制來表示這些常量，常量的數值必然取決于測量所使用的單位。雖然許多單位非常適用于我們的日常經驗，但在理解宇宙更復雜的方面時，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為c = G = ? = kB = 1，那么??P、tP、mP……所有這些數值就都成了1，它們就構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出，因此，從某種意義上來說，它們是一種最普適的自然單位，這也是理論物理學家最常使用的工具。

普朗克單位中的各項物理量，本身也包含著重要的意義。普朗克單位是宇宙最初時刻的特征。標準的大爆炸模型可以解釋追溯到普朗克時間的前后的宇宙演化。在那個時刻，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無法想象的普朗克尺度世界。在普朗克長度和時間的尺度上，時空與宏觀中的面貌截然不同，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，這個尺度下的時空可能成為混沌的量子泡沫。在弦理論中，“弦”的特征長度尺度就被認為在普朗克長度的這個數量級上。

普朗克長度被認為是基本尺寸的極限，是理論上我們可以探測到的最小的距離尺度。因為想要探測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。當這樣的極高能量粒子與目標相互作用時，黑洞就會形成。即使繼續(xù)提高能量也無濟于事，那也只會讓黑洞變得更大。

事實上，我們其實并不清楚在這一尺度之下究竟會發(fā)生什么。現在普遍認為，已知的物理學法則在超越普朗克尺度的極限后就會崩塌，甚至相對論物理學可能也需要特別的調整。舉個例子，普朗克長度和普朗克時間均由普適常量定義，不同的觀測者對它們的觀測應當都是相同的。那么在這個尺度上的長度收縮和時間膨脹的效應呢？如果在運動參考系中對這種時間和長度進行觀測，似乎需要一種修正后的狹義相對論。確實已經有科學家開始了這樣的嘗試，比如，2002年，意大利理論物理學家喬凡尼·阿梅利諾-卡梅利亞就提出了雙重狹義相對論（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

插圖設計：編輯部之花雯雯子

封面設計：一點黑眼圈都沒有的岳岳子

參考來源：

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