究竟有多少維度?這些維度還有多久才能被發現,科學家給出答案

很久以前,人們常常用畫作去表達二維的世界,至少很長一段時間都僅是如此。直到中世紀,藝術家們才發現他們可以在二維的畫布上展現出三維的東西。因此,我們也進一步推斷,世界有四維,三個維度是空間,一個是時間。不過,世界是否存在更多維度仍然是一個值得研究的問題。

人們都是通過三維來認知事物的-比如我們所說的長、寬、高。一條線只在一維中出現,因為它只有長度。一個正方形在二維中存在,因為它不僅有長,還有高。然而,一個立方體長寬高都有,所以它存在於三維空間當中。一個超立方體,在幾何意義上來說,是一個四維空間當中立方體的形態。我們無法想象它是什麼樣的,但是這不代表它不存在。

很多理論想要向我們證明,其實我們生活的宇宙還存在更多的維度,遠遠超出我們的預知。而物理則是一門可以解釋宇宙中萬物和一切現象的學科,包括廣義相對論和量子場理論。廣義相對論重點是在引力上,可以宏觀上用來探究宇宙;然而,量子場理論是關於電磁效應,核所產生的強力和弱力,它一般從微觀上被用來探究問題。(核強力可以使原子靠緊,核弱力則會導致放射性衰變。)但是問題在於,這兩個理論本來就相互矛盾。

弦論是一個想要把廣義相對論和量子場理論和並起來的理論,它包含了對這四種基本的力的解讀。前提是,它需要假設存在很多其他的維度,只有這樣才可以從數學的意義上成立。

不過,那些未知的維度會“藏”在哪裏呢?我們最早接觸“新”的維度的概念,是在愛因斯坦在19世紀提出相對論的時候。現在,我們生活在的世界被人認為是三維的,但是愛因斯坦也是在研究電磁的時候才發現,時間,就是第四個維度。

同樣的道理也能用來解釋引力場。在他的方程裏,所有四個維度相互結合,一起交織成了時空。相比於牛頓物理學,這樣就能把世界解釋得更好,預測得更精准。我們畫的這個示例也是這個意思,在我們周圍一直還存在著另外一個維度。愛因斯坦的狹義和廣義相對論提出來之前還沒有人意識到這另外一個維度的存在,自他一提出來,立刻就有科學家考慮增加維度的事情。

1919年,數學家西奧多·卡魯紮嘗試在愛因斯坦方程中加入第五個維度,結果意外地合適。為了說明這個維度在哪,物理學家奧斯卡·克萊因打了個比方。在一根膠皮管子上爬了一只螞蟻,螞蟻以為它在一個二維平面上,但是因為膠皮彎成了管子,增加了一個維度,所以它實際在是三維中的。之後幾十年,這個想法得到了一系列的完善,其中弦理論想著去增加更多的維度以統一自然力。

超弦理論認為,宇宙起碼有十個維度,四個常規的和六個小而緊密的,這後六個自己纏繞起來,形成所謂的卡拉-丘流形。憑借人類的大腦直接想象出它的整體結構不大可能,不過想象它的二維橫截面還是可以可能的。或許十個維度已經夠多了,但物理學家不這麼想,弦理論當中最有名的變種M-理論,把維度增加到了十一維!M理論的提出者愛德華·溫吞說,這裏的“M”並不具體代表某種東西,而是代表了“魔術”(magic)、“迷”(mystery)或者“膜”(membrane)。

另外還有一種玻色弦理論,這是上世紀60年代弦理論的早期版本,它認為存在26個維度,包括25個空間維和1個時間維。乍一看,我們怎麼只能看見26個維度當中的3個呢,這也太少了,不過想想人類只能看到光譜中窄窄的可見光這一段,這也就不難理解了。我們如果用不著那3個維度以外的維度也能活得好好的,那可能就永遠進化不出來看見它們的能力。再強調一次,多出來的那些維度雖然很難想象,但是它們現在都緊密地纏繞在卡拉-丘流形裏。

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